潜艇艏舵绕流场的数值模拟

刘明静 马运义 吴 军

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

潜艇艏舵绕流场的数值模拟

刘明静 马运义 吴 军

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

为了研究艏水平舵位置对于艉部流场的影响，将艏水平舵布置在指挥室或主艇体上（分别称为围壳舵和艏舵）。通过对SUBOFF进行数值模拟计算，验证网格划分方式和数值计算方法的正确性，并将该方法应用于围壳舵和艏舵模型。计算结果表明，在采用较好的流线型指挥室的情况下，采用艏舵形式有利于艉部伴流场的均匀性。

艏舵；围壳舵；数值模拟；尾部伴流场

1 引言

随着世界形势的变化，人们对于海洋权益越来越重视，潜艇也随之受到人们的重视。对于潜艇周围粘性绕流场的研究也日益增多。在阻力方面，为了避免艇体与附体的相互干扰，需要充分考虑附体的布置。

潜艇的附体一般都是由3对舵组成，除尾鳍之外，还使用一对水平舵，这对舵布置在指挥室围壳上（围壳舵）或艏部（艏舵）。装设艏水平舵的原因是能够独立控制纵倾和下潜深度。对于无纵倾的下潜和上浮的机动情况，单靠一对艉水平舵是无法保证操作的完成。此外，在低于逆速（1.5～2.0 kn）的较低航速上，垂直面内只靠艉舵操纵是很困难的。与高于逆速的速度相比，在逆速和低于逆速的速度上，转舵的规律改变了，因此有必要布设两对水平舵。

将艏舵布置在主艇体上时，为了避免潜艇横靠码头时造成舵的损坏，可以设计成可收折式，以较大的展弦比布置在艏部载重水线以上的上层建筑空间内。航速较高时，为避免增大阻力、消除绕流艏舵时的水动力噪声，也可将艏舵收回。由于舵体距离主艇体水动力中心较远，故舵效较高，只需较小的舵角就可以产生较大的垂向操纵效果，特别是在发生尾舵卡舵的紧急情况，艏水平舵的这种优点更为明显。但是艏舵也有明显的缺陷，由于艏部有效空间较小，可收折式的艏舵在布置上与水声设备容易产生矛盾。受舵机和水动力噪声的影响，对水声器材的使用也会产生影响。

相对于艏舵，围壳舵一般不会超出潜艇的最大宽度，可以避免横靠码头时的碰撞问题。同时由于围壳舵远离艏端，可以减少操纵机构产生的噪声对声呐的不利影响。不过由于围壳舵的位置较高，当潜艇处于接近水面的深度上航行时，与装设在艇体上的艏水平舵相比，围壳舵受到海面波浪的影响相对更大一些，从而增加了保持潜望深度的难度。当潜艇从水面快速下潜时，由于围壳舵位置高出水面很多，无法快速发挥其相应的作用。同时也由于围壳舵靠近水动力中心，所以操舵效果不如艏舵明显。

纵观各国潜艇，俄罗斯的潜艇采用艏舵较多，而欧美等国则较多的采用围壳舵。这两种艏舵布置形式究竟哪种较好，需要根据具体的情况来分析，这里主要关注它们对于尾部伴流场的影响。近年来有很多学者应用CFD技术模拟潜艇周边粘性绕流场［1］，但这些模拟大都是以SUBOFF为模型，没有考虑艏水平舵对于尾部伴流场的影响。本文采用CFD方法，通过Fluent软件模拟艏水平舵布置在主艇体和指挥台上的两种形式，研究这两种水平舵形式对于尾部伴流场的影响。

2 计算模型

本文中所采用的计算模型主尺度取为SUBOFF标准模型数值［2］，即L×B×D=4.356×5.08× 5.08，其中前体Lf长1.016 m，平行中体Lp长2.229 m，后体La长1.111 m。

对于艏水平舵布置在指挥台上的模型 （以下简称围壳舵模型），指挥台和尾翼布置及形式同SUBOFF，指挥台长0.368 m，上部有一外凸的顶盖。尾翼布置方式为翼型后缘，位于x=4.007 m处，4个尾翼剖面为NACA0020翼型，对称布置。此外，在指挥台垂向半高处加上围壳舵，翼型剖面为NACA翼型，但厚度比略减。模型如图1所示。

对于艏水平舵布置主艇体上的模型 （以下简称艏舵模型），主艇体及艉附体与SUBOFF相同。指挥台为改型后的流线型指挥台。艏舵布置在艏部上半部，翼型剖面为NACA翼型，厚度比与上述围壳舵相同，模型如图2所示。

图1 围壳舵模型

图2 艏舵模型

3 潜艇三维流场计算

3.1 数值计算方法

对不可压缩粘性湍流流动，采用RANS方程，同时采用RNG k-ε湍流模型进行封闭，其控制方程［3］中，不可压缩流体连续性方程为：

RANS方程为：

湍动能方程为：

湍动能耗散率方程为：

采用有限体积法离散控制方程以及湍流模式［4-5］。压力方程采用离散方程进行离散。对于动量方程、湍流方程和雷诺应力方程均采用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合迭代采用SIMPLEC算法［6-7］。

3.2 边界条件及计算网格

计算过程中计算区域为与潜艇同轴的圆柱体，由入流边界、出流边界、壁面边界及周向控制面组成［8］，如图3所示。为保证Re≥1.2×107，故速度范围为ν≥2.765 m/s。对边界条件的说明如下：

1）入流边界：位于艇前1倍艇长处，采用速度进口边界条件，来流速度取为5 m/s；

2）出流边界：位于艇后2倍艇长处，采用压力出口边界条件；

3）壁面边界：采用无滑移壁面边界条件；

4）周向控制面：直径取为艇体直径的10倍，采用速度进口边界条件，来流速度与进口相同。

整个计算域采用结构化网格，在艇体周围生成O型网格，并进行加密处理。网格总数为150万左右。模型壁面网格如图4所示。

图4 模型壁面网格

4 计算结果

4.1 计算方法验证

为验证本文中网格划分方式及计算方法的正确性，首先采用这种方法计算SUBOFF标准模型，并将该计算结果与试验结果进行对比［9］。图5所示为本文计算的桨盘面处伴流分数等高线图，图6所示为桨盘面处伴流分数实验测量值等高线。由图可见，两者的趋势是大体一致的。图7所示为桨盘面上r=0.5R处尾流速度测量值与计算结果的比较，其中横坐标为桨盘面处逆时针方向旋转一周的角度值，纵坐标为x向的相对速度值。由图可见，计算结果比较连续，均位于实验测量值范围内。这说明采用的网格划分方式和数值计算方法能够较好地模拟潜艇周围的粘性流场。

4.2 计算结果

图5 桨盘面处伴流分数等高线计算图

图6 实验测量桨盘面处伴流分数等高线图

图7 桨盘面上0.5R处x向尾流速度测量值与计算值对比图

采用上述方法，对两种模型进行计算，所得的桨盘面处伴流分数等高线图如图8、图9所示。由图可见，相对于无艏舵的SUBOFF模型，受艏舵和围壳舵影响，尾部伴流场发生了明显变化。对于围壳舵，在主艇体上部出现了明显的围壳舵影响区域。由于艏舵位于主艇体上，艏舵的影响区域与指挥室的影响区域混在一起。为了显示出艏舵对于艉部伴流场的影响，图10为沿艇长方向不同位置处伴流分数等高线图。由该图可见艏舵对于流场的影响随着向艉部的发展，逐渐减小。由于本文艏舵模型中指挥室较宽，且与主艇体结合部位过渡不够光顺，以致在指挥室后方形成了较为明显的涡。该漩涡在桨盘面处对伴流场的影响已明显盖过了艏舵，这也从侧面显示出艏舵经过沿艇向的发展，对艉部流场均匀性影响很小。

图11为桨盘面上r=0.5R处尾流速度计算结果比较图。图中0°坐标取为垂向坐标正向，受围壳舵和艏舵影响，在此处伴流场中有个速度的峰值［10］，相对于整个周向，在0°、360°处峰值最高。图中实验数据为全附体潜艇模型试验结果。由该图可见本文的计算结果大体趋势是正确的。艏舵模型在桨盘面处伴流场的均匀度较围壳舵稍优。但由于指挥室围壳过宽，与主艇体结合部位不够均匀，在指挥室后方形成了漩涡，使得上半部的速度等值线出现鼓起，削弱了艏舵的优势。

图8 围壳舵模型桨盘面伴流分数等高线图

图9 艏舵模型桨盘面处伴流分数等高线图

图10 艏舵模型横剖面速度等值线图

图11 桨盘面0.5R处x向尾流速度

5 结束语

本文采用结构化网格对于SUBOFF模型进行了数值模拟计算，通过将计算结果与试验结果对比，验证了该计算方法的可行性。并对带有指挥台围壳舵和艏舵的潜艇模型进行了数值模拟，得出了尾部桨盘面处伴流分数等高线图的大体趋势。通过对于桨盘面处伴流分数等高线图的分析，较低矮的指挥室和距离尾部桨盘面距离较远的艏部水平舵对于尾部伴流场的影响较小。

但是指挥室的线型，尤其是指挥室的后半部的线型对于艉部伴流场的均匀性影响较大。为了减小阻力，采用艏部水平舵的时候必须采用线型优良的指挥室，这样才能减少次生流的强度，从而削弱指挥室后方涡的影响。这些有待于后续开展进一步的计算研究。

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Numerical Simulation on the Flow Around Fore Hydroplane of Submarine

Liu Ming-jing Ma Yun-yiWu Jun
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

In order to investigate the impacts of the plane's position on the wake flow around the bow of submarine，two models for both the fore hydroplane and sailplane were established based on SUBOFF software，one positioned in the main hull and the other in the sail.Through a numerical simulation，SUBOFF model was computed to validate the method of grid plotting and numerical computation，and then applied this approach to the sailplane and fore hydroplane calculation respectively.The results show that the plane positioned in the main hull with streamlined sail will benefit the uniformity of wake flow.

fore hydroplane；sailplane；numerical simulation；wake flow

U661.2

A

1673-3185（2010）05-40-04

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.05.008

2009-08-11

“十一五”国防科技预研课题（1010501××××）

刘明静（1981-），女，博士研究生。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。E-mail：alice-lmj@163.com

马运义（1942-），男，研究员，博士生导师。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造