附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响

柏铁朝，卢锦国

(中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响

柏铁朝，卢锦国

(中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064）

针对SUBX潜艇模型，采用数值计算手段，开展附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响分析。计算表明，附体导致潜艇粘压阻力的显著增加，以及伴流场不均匀性的产生。稳定翼对桨盘面半径内伴流场不均匀性的影响较大，而指挥室围壳主要影响桨盘面半径外伴流场不均匀性。从降低阻力和改善伴流场角度考虑，需开展附体外形、位置及与主艇体连接形式的深入研究。

附体;潜艇;阻力;伴流场

0 引言

阻力性能和伴流场性能一直是潜艇水动力研究的热点，20世纪50-60年代，大量的模型试验证明了“水滴形”外形是阻力性能最优主艇体线型。然而，对于附体对潜艇的阻力及尾流场的影响程度、范围和特点分析，由于保密等原因，鲜见较为完整的分析报告。20世纪90年代，美国泰勒水池 (DTRC）研究人员对SUBOFF潜艇模型进行了大量的风洞和水池实验，提供了包括速度、压力、艇体六分力和雷诺应力在内的大量水动力和流场数据［1］，得出了一系列的结论。国内外许多专家针对该模型进行了数值计算［2～4］，这些工作主要集中在对CFD代码的验证，取得了丰硕的成果。也有文献［5-6］采用SUBOFF为计算对象，分析附体对潜艇阻力和尾部伴流场的影响。但是，上述工作存在一些不足:首先，SUBOFF模型是一个较简单潜艇模型，其附体相对于主艇体来说尺度太小;另外，SUBOFF模型没有上层建筑结构，这与一般潜艇外形不符。因此，针对SUBOFF潜艇模型的数值计算分析，对指导潜艇设计意义有限。

螺旋桨工作部位的流场不均匀性是产生螺旋桨叶频离散辐射噪声的决定性因素之一，也是影响潜艇临界航速的重要因素。为分析附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响特点和程度，本文以SUBOFF为母型进行改变，称为SUBX模型。主要变化如下:

1）主艇体长宽比变小;

2）增加了上层建筑和围壳舵;

3）围壳相对于主艇体的几何比例增大，相对位置也有所变化;

4）尾部线型进行了修改;

5）稳定翼特性进行了较大修改。

改变后，SUBX模型的外形、主附体相对比例及位置与国外先进的常规潜艇，如“基洛”级、“阿穆尔”级、212A级更加接近。在此基础上，开展潜艇各附体对阻力及尾部伴流场的影响分析。

1 计算模型

SUBX的主尺度见表1，三维外形如图1所示。

图1 SUBX模型外形图Fig.1 Outline of SUBX model

表1 SUBX模型主要几何参数Tab.1 Themain geometric parameters of SUBX model

关于全附体潜艇模型绕流场数值计算的计算方法和计算精度，国内外已有大量文献［7-9］进行介绍，作者也进行了较多的计算［10］，并与试验数据进行对比，已经形成成熟的数值计算手段。因此，可认为本文采用的数值计算方法得到的结果是有效的。

2 理论模型

2.1 控制方程

时均化后不可压缩流体的连续性方程与动量方程为［11］:

2.2 湍流模式

根据相关文献［7］建议及作者的实际经验［10］，本文采用SST k-ω模式作为数值计算的湍流模式。相比于目前一些二方程湍流模式常采用壁面函数法，在k-ω模型中，对近壁面采用的是近壁模拟方法，实践证明该方法具有更好的数值稳定性和精度［12］，但近壁模拟方法相比于壁面函数法对近壁网格密度的要求更高。k方程和ω方程的表达式［7］如下:

其中:Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能;Gω为ω方程;Γk和Γω分别为k和ω的有效扩散项;Yk和Yω分别为k和 ω的发散项;Dω为正交发散项;Sk和Sω由用户自己定义。

3 数值模拟

3.1 坐标系及计算域

设定中纵剖面与基面的交线为x轴，指向艇尾为正方向;横剖面与基面的交线为y轴，指向右舷为正方向;中纵剖面与横剖面的交线为z轴，向上为正方向。

考虑到潜艇绕流场关于中纵剖面对称，因此计算域取绕流场一半，以此减少计算域体积及计算网格。计算域为一半圆柱体区域 (见图2），其边界范围如式(5）所示。

图2 计算域示意图Fig.2 Schematic diagram of computational field

3.2 网格划分

采用ICEM CFD软件对计算模型进行全结构化网格划分。在艇体首部，指挥室围壳和稳定翼附近的前后区域、艇体尾流区域这些位置，流体的速度和压力变化较为剧烈，这些区域网格需要加密;在艇体表面，布置稠密的网格边界层，保证计算时近壁面y+＜30，如图3和图4所示。整个计算域网格量为800万。

图3 全附体模型表面网格分部Fig.3 Surface grid distribution of full appendagesmodel

图4 围壳区域网格分部Fig.4 Grid distribution of sail zone

3.3 边界条件

1）入口处及计算域外圆周边界采用速度入口边界条件，给定来流在x方向上的速度vx=3 m/s，进口处流体的湍流特性设定按照文献 ［11］给出的公式设定;

2）出口处为压力出口边界条件;

3）艇体表面为固壁边界条件，近壁区默认为近壁模拟法;

4）计算域对称面设定为对称边界条件。

3.4 数值解算方法

计算采用直接求解三维粘性不可压RANS方程的方法，使用有限体积法对流域进行离散，扩散项使用中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式，流场数值解法采用Simplec算法。

4 计算结果及分析

为分析附体对潜艇阻力性能及尾部伴流场的影响，本文进行了详细的拆附体数值计算，共计6个计算模型方案 (见表2）。

表2 计算模型方案Tab.2 Example of calculationmodels

4.1 附体对潜艇阻力性能的影响

从图5可以看出，6个计算模型的摩擦阻力系数Cf基本一致，说明增减附体的设置对潜艇的摩擦阻力系数Cf影响很小。但附体的设置对潜艇的粘压阻力系数Cv影响很大，且SUBX模型中对粘压阻力系数贡献最大的部分依次是:围壳、稳定翼、围壳舵、主艇体、上层建筑。其中，全附体 (full）模型粘压阻力系数Cv是裸艇体 (bare hull）模型的粘压阻力系数Cv的6倍，且在全附体模型中粘压阻力占总阻力的比例达到了32%。

图5 Re=1.3×107时计算模型的阻力系数情况Fig.5 Coefficient of the resistance of calculation model under

4.2 附体对潜艇尾部伴流场的影响

对于流场不均匀性的特征参数可用极差相对不均匀度来进行衡量，极差计算如下:

图6～图9为6个计算模型在桨盘面处x方向的速度分布。表5是各附体在桨盘面处对螺旋桨轴向速度周向不均匀性造成的影响。计算表明:

1）附体是造成桨盘面处伴流场轴向速度周向不均匀性的根源，并且，附体对桨盘半径内的伴流场不均匀性的影响程度比桨盘半经外大;

2）各附体对伴流场不均匀性的影响区域不同。上层建筑、指挥室围壳及围壳舵仅对伴流场上半部分的速度场有重要影响，而稳定翼则对整个伴流场存在影响。可见，对伴流场不均匀性的影响与附体布置位置密切相关;

3）稳定翼是造成伴流场不均性的主要原因。但是，稳定翼对桨盘面半径内伴流场不均匀性的影响程度比半经外大，从79%下降到55%;

4）指挥室围壳是造成伴流场不均性的重要原因，指挥室围壳对桨盘面半径外伴流场不均匀性的影响程度比半经内大，从27%增加到75%;

图6 r'=0.7时桨盘面处v'x分布Fig.6 Distribution in wake of propeller region at r'=0.3

图7 r'=0.5时桨盘面处v'x分布Fig.7 Distribution in wake of propeller region at r'=0.5

图8 r'=0.7时桨盘面处v'x分布Fig.8 Distribution in wake of propeller region at r'=0.7

图9 r'=0.9时桨盘面处v'x分布Fig.9 Distribution in wake of propeller region at r'=0.9

5）本次计算模型中，从计算结果来看，围壳舵反而改善了伴流场的不均匀性，关于围壳舵对尾部伴流场的影响，目前鲜见相关文献进行专门的研究，因此该现象值得进一步探讨研究;

6）上层建筑对尾部伴流场不均匀性的影响较为稳定。

表3 不同方案轴向速度周向不均匀性对比Tab.3 Contrast of computation models for circumferential flow irregularity of axial velocity

5 结论及展望

本文针对SUBX潜艇模型的附体对阻力和尾部伴流场的影响开展了详细的计算，得到附体对潜艇阻力及尾部伴流场影响的结论如下:

1）阻力方面。鉴于摩擦阻力系数Cf主要是和湿表面积有关，湿表面积主要由主尺度决定，由于潜艇主尺度很大程度上由总布置决定，那么降低潜艇阻力的重点研究方向应该是降低其粘压阻力。因此，下一步将深入开展附体外形、位置及与主艇体连接形式的研究，以改善潜艇的阻力性能。

2）尾部伴流场方面。从改善桨盘面半径内伴流场不均匀性角度考虑，可以针对稳定翼进行局部优化，从改善桨盘面半径外伴流场不均匀性角度考虑，可以针对指挥室围壳的外形、位置及与主艇体连接形式对尾部伴流场影响开展深入优化研究。

［1］HUANG T T，LIU H L，GROVESN C，et al.Measurement of flows over an axisymmetric body with various appendages［C］.Nineteenth Symposium on Naval Hydrodynamics，Seoul，Korea，August1992.

［2］GORSKI JJ，COLEMAN R M.Use of RANS calculation in the design of a submarine sail［C］//RTO AVT Symposium，Paris France，April2002.

［3］李新汶，陈源，王文绮.CFD在潜艇艉附体与艇体连接形式研究中的应用［J］.船舶力学，2003，7(5）:28-32.

LI Xin-wen，CHEN Yuan，WANG Wen-qi.Application of CFD to junction form of strern appendages［J］.Journal of Ship Mechanics，2003，7(5）:28-32.

［4］DOZIER D，STOUT M，ZOCCOLA M.Advanced sail development［R］.Wavelengths，An Employee Digest of Events and Information，Carderock Division，Naval Surface Warfare Center，2001.15-17.

［5］刘祖源，林小平，周朝辉.潜艇指挥台位置对水动力的影响研究［J］.海军工程大学学报，2006，8(6）:30-33.

LIU Zu-yuan，LIN Xiao-ping，ZHOU Zhao-hui.Study on relative position of submarine sail zone［J］.Journal of Naval University of Engineering，2006，8(6）:30-33.

［6］BRIDGES D H.A detailed study of the flow field of a submarine at large angle drifts［R］.Office of Naval Research，2001.

［7］WILCOX D C.Turbulence Modeling for CFD［M］.DCW Industries，1998.

［8］邱辽原.潜艇粘性流场的数值模拟及其阻力预报的方法研究［D］.武汉:华中科技大学，2006.

QIU Liao-yuan.Numerical simulation of the viscous flow over the submarine and method research on predicting its vsicous resistance［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2006.

［9］张楠，沈泓萃，姚惠之.潜艇阻力与流场的数值模拟与验证及艇型的数值优化研究［J］.船舶力学，2005，9(1）:1-13.

ZHANG Nan，SHEN Hong-cui，YAO Hui-zhi.Validation of numerical simulation on resistance and flow field of submarine and numerical optimization of submarine hull form［J］.Journal of Ship Mechanics，2005，9(1）:1-13.

［10］柏铁朝，梁中刚，周轶美，敬军.潜艇操纵性水动力数值计算中湍流模式的比较与运用［J］.中国舰船研究，2010(2）:22-28.

BAI Tie-chao，LIANG Zhong-gang，ZHOU Yi-mei，JING Jun.Comparison and application of turbulence modes in submarine maneuvering hydrodynamic forces computation［J］.Chinese Journal of Ship Research，2010(2）:22-28.

［11］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

WANG Fu-jun.Computational fluid dynamics analyses［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2004.

［12］WILCOX D C.Cãnada L.Turbulence Modeling:An Overview［C］.AIAA2001-0724，AIAA 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，Reno，NV，2001.8-11.

Analysis of the impact of appendages on submarine resistance and wake flow field

BAITie-chao，LU Jin-guo
(China Ship Research and Design Center，Wuhan 430064，China）

The numerical simulations of viscous flow field around the submarinemodel named SUBX were performed to analyze the impact of appendages on resistance and wake flow field.The conclusion shows up that the appendages greatly increase the viscous pressure resistance，and induce the uneven wake flow field.Especially，the unevenness of the wake flow inside the propeller radius is induced by fins，and the sail mainly disturbs the wake flow outside the propeller radius.The further study for the purpose of reducing resistance and unevenness ofwake flow should be devoted to improve the shape and allocation of appendages and conjunction between appendages and hull.

appendages;submarine;resistance;wake flow

U674.76;U661.1

A

1672-7649(2013）03-0047-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2013.03.010

2012-05-29;

2012-07-04

柏铁朝(1984-），男，硕士，工程师，从事船舶与海洋结构物设计。