潜艇指挥台围壳线型对尾流场的影响研究*

盛 立 王展智 齐万江

(1.92537部队 北京 100161)(2.海军工程大学舰船工程系 武汉 430033)(3.71187部队 烟台 265800)

潜艇指挥台围壳线型对尾流场的影响研究*

盛 立1王展智2齐万江3

(1.92537部队 北京 100161)(2.海军工程大学舰船工程系 武汉 430033)(3.71187部队 烟台 265800)

指挥台围壳线型直接影响桨盘面处的伴流品质,对潜艇水动力和噪声性能产生较大的影响。为了探索潜艇指挥台围壳线型的优化设计规律,以全附体Suboff为对象,采用RANS方法结合SST k-ω湍流模型开展了指挥台围壳线型对潜艇尾流场的影响研究。数值计算结果表明角度设计适当的斜壁式指挥台围壳能够改善桨盘面伴流的均匀性,降低轴向速度波动的剧烈程度;指挥台围壳尖瘦的前缘形状不仅可以降低阻力,而且有利于提高螺旋桨的伴流品质。

潜艇; 指挥台围壳; 尾流场; 数值计算

(1. No. 92537 Troops of PLA, Beijing 100161)

(2. Department of Naval Architecture, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

(3. No. 71187 Troops of PLA, Yantai 265800)

Class Number U661.31

1 引言

指挥台围壳是现代潜艇的标志性结构,它突出于上层建筑,里面布置有各种升降装置如通信天线、通气管、潜望镜等,同时也是现代潜艇执行水面航行、收发信息、离靠码头、实施观测和指挥的重要部位。由于指挥台围壳体积较大,因而对潜艇的水动力和噪声性能产生了较大影响。特别是在主艇体与指挥台围壳的接合部,由于形状的突变,形成高度不稳定的角区流动,导致了马蹄涡的产生[1]。马蹄涡强度大,耗散弱,在向下游的传播过程中对潜艇流场产生重要影响,当它传播至螺旋桨盘面处时,与主艇体尾流、附体尾流发生相互作用,使得潜艇尾流成为以湍流脉动、粘性效应和漩涡运动为特征的复杂流场区域,导致了桨盘面伴流严重的不均匀性,进而增加推进器的噪声[2]。

优化指挥台围壳线型,减少围壳带来的不利影响,是潜艇设计者追求的目标。吴方良[3]采用数值计算方法,通过系列地变换同一个指挥台围壳在潜艇上的位置和改变同一位置上指挥台围壳的高矮形成了系列模型,采用CFD对这些模型进行数值计算。根据计算获得的潜艇阻力和尾部伴流场的结果,通过比较分析,获得指挥台围壳的位置和高矮对潜艇阻力和伴流场的影响规律。王志博[4]以三维围壳为对象,采用RANS方法分析了艇体围壳绕流的演化过程比较不同围壳外形对尾部流场结构的影响从多个侧面分析了围壳外形与潜艇尾流场特征的关系。吕鸣鹤[5]设计了不同水平位置、高度及外形的潜艇指挥台围壳的全附体Suboff潜艇模型,基于RANS方法,比较了指挥台围壳部分与整体的阻力情况以及指挥台围壳对其后方流场及螺旋桨盘面处的伴流场的影响情况。刘祖源[6]研究了不同翼型、不同弦长、不同高度的围壳和主体,给出轴向速度关于角度的梯度在周向分布,轴向速度的周向平均以及不均匀度系数,研究表明适当降低围壳高度增加围壳厚度可以使尾流场更加均匀。

指挥台围壳设计优化的重点在外形以及围壳与艇体的连接形式上。指挥台围壳的外形直接影响围壳部分的形状阻力,其前缘曲率半径和最大厚度位置等对围壳的流噪声和马蹄涡也有显著影响。而围壳与艇体的连接形式主要是对围壳前缘流动分离现象和抑制马蹄涡的形成有影响。Paul[7]基于对主附体接合部流动现象的研究,提出了积极影响马蹄涡生成的主动消涡方法;Laskshmanan和Tiwari[8]对加设填角的附体流场和马蹄涡特征进行了较为详细地研究,研究结果表明设置合适的填角能对马蹄涡的强度和尺度产生明显的控制作用;他们的研究表明,当弧形填角的半径达到附体迎流段端部直径的3倍时就具有有效的马蹄涡控制作用,如果填角尺度过小,其作用将是一种不利影响。刘志华[9～11]通过对潜艇主附体接合部马蹄涡形态特征的模拟,创新性地提出了马蹄涡的控制方法,设计了新型整流片对马蹄涡进行控制,系统研究了整流片削弱马蹄涡强度,改善潜艇螺旋桨的入流品质,降低潜艇螺旋桨噪声的效果,展示了新型整流片技术优良的应用前景。

目前,潜艇指挥台围壳主要有直壁式、斜壁式和飞机座舱式等几种形式。美国的“海狼”级和“弗吉尼亚”级采用直壁式指挥台围壳方案,但均加装了填角结构,我国多数潜艇也采用这种形式;德国的212、日本的“苍龙”级和英国的“机敏”则采用斜壁式,指挥台顶部翼型剖面比底部的翼型剖面弦长和厚度均要小。俄罗斯最新的核潜艇“北风之神”级则采用倒梯形设计,顶部弦长长而底部弦长短。Kitchens C. W.的研究表明[12],马蹄涡的产生主要集中在附体迎流面端部到中前部数百倍于边界层厚度的区域,由于涡流的产生与附体压力场密切相关,那么通过改变附体的尺寸和形状就是一类最简单、最直接的马蹄涡控制措施。基于这一思想,本文主要采用RANS方法研究指挥台围壳的线型对潜艇尾流场的影响,以期为潜艇指挥台围壳优化设计提供指导。

2 数学模型

2.1 控制方程

考虑潜艇在均匀流体中匀速运动,满足连续性方程和RANS方程:

(1)

(2)

2.2 计算对象

Suboff潜艇模型是美国大卫·泰勒研究中心(DTRC)用于检验潜艇流场计算方法准确性的标准模型,试验资料丰富。Suboff模型总长4.356 m;其艏部长为1.016 m,平行中体长为2.229 m,艉部长为1.111 m,中部最大直径为0.508 m,指挥台围壳高0.206 m,长0.368 m,最大厚度0.066 m。本文以全附体Suboff潜艇为母型,共设计了四种指挥台围壳形式,围壳的位置和高度均不变,前三种为斜壁式,剖面翼型与原始翼型基本一致,只是弦长和厚度发生变化;第四种为直壁式,但翼型剖面为对称式。原始指挥台围壳尺寸如图1所示,四种指挥台围壳线型整体建模效果如图2所示。

图1 Suboff原始指挥台围壳线型

2.3 网格及边界条件

流域为长方体,入口距离艇艏1倍艇长;出口距离艇艉3倍艇长;左、右、上、下远场离艇轴线2倍艇长;采用全六面体结构化网格离散计算域,各线型方案的网格拓扑完全一样,均为H-O型。潜艇表面生成边界层网格,第一层网格的y+为80左右,边界层的增长率为1.05,在艇体艏部、艉部、指挥台围壳和舵附近加密网格,以捕捉其较大的速度梯度变化,整个计算域共800万左右的单元。潜艇表面网格分布如图3所示。

图2 四种指挥台围壳线型

入口设为速度入口,给定均匀来流的速度值;出口设为压力出口;远场边界设为对称面;艇体表面定义为无滑移、不可穿透的壁面边界条件。选取SSTk-ω湍流模型,采用有限体积法离散控制方程和湍流模式,对流和扩散项均采用二阶迎风格式离散,压力速度耦合迭代采用SIMPLEC方法,计算了雷诺数1.2×107时四种指挥台围壳线型的尾流场。

图3 艇体表面网格分布

3 结果及分析

伴流场的计算精度是衡量数值计算方法合理性的重要指标。雷诺数为1.2×107时,桨盘面r/R=0.25处轴向无量纲速度随周向角的变化数值计算结果与风洞试验结果[13]的比较如图4所示。

从图4中可以看出数值计算结果与试验数据吻合良好,可以清楚地显示出在主艇体和指挥台围壳、尾翼等附体接合部马蹄涡的影响下,流场随周向角出现了明显的“峰值-谷值”波动现象,显示了流场极大的周向不均匀性。

各指挥台围壳线型方案的总阻力对比如表1所示。

图4 r/R=0.25处无量纲轴向速度分布数值计算结果与试验数据的比较

表1 各指挥台围壳线型方案的阻力对比

从表1可以看出:由于指挥台围壳剖面弦长和厚度增大,方案1和方案2的粘压阻力增加,阻力性能恶化,只有线型4的总阻力比原型低。

图5 各方案指挥台围壳附近的漩涡形态

各方案指挥台围壳附近Q=50时的漩涡形态如图5所示,图中清晰地反映了指挥台围壳附近的马蹄涡和梢涡。可以看出:方案1和方案2的马蹄涡强度有所增加,方案3和方案4则有所减弱,由于方案4的顶部未采用过渡形式,所以有大量梢涡溢出。与Suboff原始线型相比,方案1和方案2的最大厚度变大,迎流面积增大,翼型前缘曲率半径也变大,利于马蹄涡的产生。由于方案4采用对称翼型,前缘尖瘦,故马蹄涡强度较弱。

各指挥台围壳方案不同轴向位置横剖面处流体速度矢量分布如图6～图8所示,各个轴向位置依次为x/L=0.230、x/L=0.253、x/L=0.65。从这些图中可以清楚地观察到马蹄涡的发展过程,显示了马蹄涡强大而稳定的传播能力。对比发现,线型1的马蹄涡强度最大,影响范围最广,而线型4的最弱。

图6 x/L=0.230截面的速度矢量分布

图7 x/L=0.253截面的速度矢量分布

图8 x/L=0.65截面的速度矢量分布

不同线型方案桨盘面处(距艇艏部端点x/L=0.978)的轴向速度分布对比如图9所示。从图中可以看出:对于指挥台围壳线型1,由于马蹄涡强度大大增加,所以其对桨盘面处的轴向伴流场影响范围扩大,伴流场非均匀性恶化;对于指挥台围壳线型2,虽然轴向速度等值线的变化幅度增大,然而其变化率比原型有所缓和;对于指挥台围壳线型3,其伴流场非均匀也略有增加,只有指挥台围壳线型4,它与原型的分布形态及其相似,但变化幅值略有减小。

图9 桨盘面处无量纲轴向速度云图

不同指挥台围壳方案桨盘面r/R=0.25、r/R=0.3、r/R=0.35、r/R=0.4处无量纲轴向速度ux/U0随周向角θ的变化如图10所示。

从图10中可以看出:除了指挥台围壳方案1加剧了桨盘面无量纲轴向速度的非均匀性外,其它方案均在一定程度上降低了轴向速度的变化率,提高了桨盘面流场的均匀性,特别是方案4,效果最好。

为了显示定量效果,对桨盘面轴向速度的周向不均匀度系数uxΔ=(uxmax-uxmin)/U0进行了计算。各指挥台围壳方案桨盘面流场的周向不均匀度的比较如表2所示。

表2 各指挥台围壳线型方案轴向速度不均匀度系数的对比

从表2中可以看出:指挥台围壳线型4各半径处的不均匀度系数均比Suboff原型低,这说明该方案可以提高潜艇螺旋桨的进流品质,将起到减小螺旋桨桨叶的非定常力变化范围、改善螺旋桨振动与噪声性能的作用。而其他线型方案,影响比较复杂,内外半径的效果并不一致。

伴流场的非均匀性导致流体流向桨叶剖面的合速度时高时低,进流角时大时小,进而使空泡的产生难以避免。研究发现,伴流的变化率表征空泡的溃灭强度,直接影响船体激振力的大小。从定义中可以看出,不均匀度系数仅能反映出量级的速度波动,却无法反映局部速度波动情况,更无法反映固定半径上的周向速度波动的剧烈程度。在速度波动的区域,求ux/U0对周向角θ的偏导数,采用向前差商代替一阶导数。取|∂ux/∂θ|在各半径上的最大值作为速度波动剧烈程度的指标,各指挥台围壳线型方案无量纲轴向速度变化率幅值的比较如表3所示。

图10 不同指挥台围壳方案无量纲轴向速度ux/U0随周向角θ的变化

从表3中可以看出:除了指挥台围壳线型1外,其他方案均能降低桨盘面轴向速度波动程度,提供更好的进流品质。

表3 各指挥台围壳线型方案无量纲轴向速度变化率幅值的对比

4 结语

本文以Suboff全附体模型为对象,采用RANS方法结合SSTk-ω湍流模型开展了潜艇指挥台围壳线型对尾流场品质影响的计算分析,为潜艇指挥台围壳优化设计提供了指导。研究发现:

1) 角度设计适当(厚度变化不宜过大)的斜壁式指挥台围壳能够改善桨盘面伴流的均匀性,降低轴向速度波动的剧烈程度。

2) 指挥台围壳尖瘦的前缘形状不仅可以降低阻力,而且有利于提高螺旋桨的伴流品质。

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[3] 吴方良,吴晓光,马运义,等.潜艇指挥台围壳对阻力和伴流场影响数值研究[J].海洋工程,2009,27(3):91-99.

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参考文献著录规则

一.总要求

为了帮助向本刊投稿的作者按规范著录参考文献,现将常见类型文献的著录格式作如下要求。

本刊要求双语参考文献,所有的中文参考文献均需附英文译文,示例如下:

示例1:

[1] 焦李成,杜海峰,等．免疫优化计算、学习与识别[M].北京:科学出版社,2006． JIAO Licheng, DU Haifeng, et al Immune optimization calculation 、Learning and Recognition [M]. Beijing: Science Press,2006．

[2] 李诗灵,陈宁,赵学彧．基于粒子群算法的城市轨道交通接运公交规划[J]．武汉理工大学学报(交通工程与科学版)2010,34(4)780-783． LI Shiling, CHEN Ning, ZHAO Xueyu． Planning of Feder Bus to the Urban Rail Transit Based on Particle Swarm Optimization[J]． Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Enginering),2010,34(4):780-783．

参考文献中的责任者采用姓前名后的著录形式。欧美著者的名可缩写,姓大写,姓和缩写的名之间不可用“.”隔开,而是用空格。如用中译名,可以只著录其姓。如原文中作者为“P．S．昂温”则在本刊要求中应写成“昂温 P S”,Albert Einstein Seny应写成EINSTEIN A S。

参考文献的责任者之间用“,”分隔。不超过3个时,全部照录。超过3个时,只著录前3个责任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜体。

示例2:马克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.图书和期刊的著录格式

◆ 普通图书(原著): [序号]著者．书名[M]．版本(第1版不著录)．出版地:出版者,出版年:引文页码． [3]余敏．出版集团研究[M]．北京:中国书籍出版社,2001:179-193． [4]中国社会科学院语言研究所词典编辑室．现代汉语词典[M]．修订本．北京:商务印书馆,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通图书(译著): [序号]著者．书名[M]．译者,译．版本．出版地:出版者,出版年:引文页码． [6]AGRAWAL G P． 非线性光纤光学[M]．胡国绛,黄超,译．天津:天津大学出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科学与工艺学原理[M]．李庆龙,译．2版．北京:中国食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文页码． [8]蒋超,张沛,张永军,等．基于SRLG不相关的共享通路保护算法[J]．光通信技术,2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(无卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份(期):引文页码． [10]周可,冯丹,王芳,等．网络磁盘阵列流水调度研究[J]．计算机学报,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.电子文献的著录格式

◆ 电子文献: [序号]主要责任者．题名:其他题名信息[文献类型标志/文献载体标志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．获取和访问路径． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]萧钰．出版业信息化迈入快车道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.学位论文与论文集的著录格式

◆ 学位论文: [序号]著者．题名[D]．出版地:出版者,出版年:引文页码． [13]孙玉文．汉语变调构词研究[D]．北京:北京大学文学院,2000．

◆ 论文集: [序号]著者．题名[C]//著者．专题名:其他题名．出版地:出版者,出版年:引文页码． [14]白书龙．植物开花研究[C]//李承森．植物科学进展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Study on the Effect of Sail on Flow Field of Submarine

SHENG Li1WANG Zhanzhi2QI Wanjiang3

Sail form directly affects wake field at propeller disk and has great effect on the hydrodynamic performance and noise of submarine. In order to explore the optimum design of submarine sail form, numerical study on the effect of sail on flow field of submarine is conducted using RANS method and SST k-ω turbulence mode based on full appendage suboff. It is shown that with the oblique arm sail of appropriate angle, the circumferential uniformity of the velocity component is improved and the fluctuation of axial velocity is decreased greatly. And the resistance can be reduced and wake quality can be improved via a sail with sharp leading edge.

submarine, sail, flow field, numerical simulation

2016年6月9日,

2016年7月27日

国家自然科学基金项目(编号:51479207);海洋工程国家重点实验室研究基金项目(编号:1514)资助。

盛立,男,博士,工程师,研究方向:舰艇水动力学。王展智,男,博士,讲师,研究方向:船舶流体力学。齐万江,男,硕士,助理工程师,研究方向:船舶流体力学。

U661.31

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.034