盛 立 王展智 齊萬江

(1.92537部隊 北京 100161)(2.海軍工程大學(xué)艦船工程系 武漢 430033)(3.71187部隊 煙臺 265800)

潛艇指揮臺圍殼線型對尾流場的影響研究*

盛 立1王展智2齊萬江3

(1.92537部隊 北京 100161)(2.海軍工程大學(xué)艦船工程系 武漢 430033)(3.71187部隊 煙臺 265800)

指揮臺圍殼線型直接影響槳盤面處的伴流品質(zhì),對潛艇水動力和噪聲性能產(chǎn)生較大的影響。為了探索潛艇指揮臺圍殼線型的優(yōu)化設(shè)計規(guī)律,以全附體Suboff為對象,采用RANS方法結(jié)合SST k-ω湍流模型開展了指揮臺圍殼線型對潛艇尾流場的影響研究。數(shù)值計算結(jié)果表明角度設(shè)計適當(dāng)?shù)男北谑街笓]臺圍殼能夠改善槳盤面伴流的均勻性,降低軸向速度波動的劇烈程度;指揮臺圍殼尖瘦的前緣形狀不僅可以降低阻力,而且有利于提高螺旋槳的伴流品質(zhì)。

潛艇; 指揮臺圍殼; 尾流場; 數(shù)值計算

(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

指揮臺圍殼是現(xiàn)代潛艇的標(biāo)志性結(jié)構(gòu),它突出于上層建筑,里面布置有各種升降裝置如通信天線、通氣管、潛望鏡等,同時也是現(xiàn)代潛艇執(zhí)行水面航行、收發(fā)信息、離靠碼頭、實施觀測和指揮的重要部位。由于指揮臺圍殼體積較大,因而對潛艇的水動力和噪聲性能產(chǎn)生了較大影響。特別是在主艇體與指揮臺圍殼的接合部,由于形狀的突變,形成高度不穩(wěn)定的角區(qū)流動,導(dǎo)致了馬蹄渦的產(chǎn)生[1]。馬蹄渦強度大,耗散弱,在向下游的傳播過程中對潛艇流場產(chǎn)生重要影響,當(dāng)它傳播至螺旋槳盤面處時,與主艇體尾流、附體尾流發(fā)生相互作用,使得潛艇尾流成為以湍流脈動、粘性效應(yīng)和漩渦運動為特征的復(fù)雜流場區(qū)域,導(dǎo)致了槳盤面伴流嚴(yán)重的不均勻性,進(jìn)而增加推進(jìn)器的噪聲[2]。

優(yōu)化指揮臺圍殼線型,減少圍殼帶來的不利影響,是潛艇設(shè)計者追求的目標(biāo)。吳方良[3]采用數(shù)值計算方法,通過系列地變換同一個指揮臺圍殼在潛艇上的位置和改變同一位置上指揮臺圍殼的高矮形成了系列模型,采用CFD對這些模型進(jìn)行數(shù)值計算。根據(jù)計算獲得的潛艇阻力和尾部伴流場的結(jié)果,通過比較分析,獲得指揮臺圍殼的位置和高矮對潛艇阻力和伴流場的影響規(guī)律。王志博[4]以三維圍殼為對象,采用RANS方法分析了艇體圍殼繞流的演化過程比較不同圍殼外形對尾部流場結(jié)構(gòu)的影響從多個側(cè)面分析了圍殼外形與潛艇尾流場特征的關(guān)系。呂鳴鶴[5]設(shè)計了不同水平位置、高度及外形的潛艇指揮臺圍殼的全附體Suboff潛艇模型,基于RANS方法,比較了指揮臺圍殼部分與整體的阻力情況以及指揮臺圍殼對其后方流場及螺旋槳盤面處的伴流場的影響情況。劉祖源[6]研究了不同翼型、不同弦長、不同高度的圍殼和主體,給出軸向速度關(guān)于角度的梯度在周向分布,軸向速度的周向平均以及不均勻度系數(shù),研究表明適當(dāng)降低圍殼高度增加圍殼厚度可以使尾流場更加均勻。

指揮臺圍殼設(shè)計優(yōu)化的重點在外形以及圍殼與艇體的連接形式上。指揮臺圍殼的外形直接影響圍殼部分的形狀阻力,其前緣曲率半徑和最大厚度位置等對圍殼的流噪聲和馬蹄渦也有顯著影響。而圍殼與艇體的連接形式主要是對圍殼前緣流動分離現(xiàn)象和抑制馬蹄渦的形成有影響。Paul[7]基于對主附體接合部流動現(xiàn)象的研究,提出了積極影響馬蹄渦生成的主動消渦方法;Laskshmanan和Tiwari[8]對加設(shè)填角的附體流場和馬蹄渦特征進(jìn)行了較為詳細(xì)地研究,研究結(jié)果表明設(shè)置合適的填角能對馬蹄渦的強度和尺度產(chǎn)生明顯的控制作用;他們的研究表明,當(dāng)弧形填角的半徑達(dá)到附體迎流段端部直徑的3倍時就具有有效的馬蹄渦控制作用,如果填角尺度過小,其作用將是一種不利影響。劉志華[9～11]通過對潛艇主附體接合部馬蹄渦形態(tài)特征的模擬,創(chuàng)新性地提出了馬蹄渦的控制方法,設(shè)計了新型整流片對馬蹄渦進(jìn)行控制,系統(tǒng)研究了整流片削弱馬蹄渦強度,改善潛艇螺旋槳的入流品質(zhì),降低潛艇螺旋槳噪聲的效果,展示了新型整流片技術(shù)優(yōu)良的應(yīng)用前景。

目前,潛艇指揮臺圍殼主要有直壁式、斜壁式和飛機座艙式等幾種形式。美國的“海狼”級和“弗吉尼亞”級采用直壁式指揮臺圍殼方案,但均加裝了填角結(jié)構(gòu),我國多數(shù)潛艇也采用這種形式;德國的212、日本的“蒼龍”級和英國的“機敏”則采用斜壁式,指揮臺頂部翼型剖面比底部的翼型剖面弦長和厚度均要小。俄羅斯最新的核潛艇“北風(fēng)之神”級則采用倒梯形設(shè)計,頂部弦長長而底部弦長短。Kitchens C. W.的研究表明[12],馬蹄渦的產(chǎn)生主要集中在附體迎流面端部到中前部數(shù)百倍于邊界層厚度的區(qū)域,由于渦流的產(chǎn)生與附體壓力場密切相關(guān),那么通過改變附體的尺寸和形狀就是一類最簡單、最直接的馬蹄渦控制措施?；谶@一思想,本文主要采用RANS方法研究指揮臺圍殼的線型對潛艇尾流場的影響,以期為潛艇指揮臺圍殼優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

考慮潛艇在均勻流體中勻速運動,滿足連續(xù)性方程和RANS方程:

(1)

(2)

2.2 計算對象

Suboff潛艇模型是美國大衛(wèi)·泰勒研究中心(DTRC)用于檢驗潛艇流場計算方法準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)模型,試驗資料豐富。Suboff模型總長4.356 m;其艏部長為1.016 m,平行中體長為2.229 m,艉部長為1.111 m,中部最大直徑為0.508 m,指揮臺圍殼高0.206 m,長0.368 m,最大厚度0.066 m。本文以全附體Suboff潛艇為母型,共設(shè)計了四種指揮臺圍殼形式,圍殼的位置和高度均不變,前三種為斜壁式,剖面翼型與原始翼型基本一致,只是弦長和厚度發(fā)生變化;第四種為直壁式,但翼型剖面為對稱式。原始指揮臺圍殼尺寸如圖1所示,四種指揮臺圍殼線型整體建模效果如圖2所示。

圖1 Suboff原始指揮臺圍殼線型

2.3 網(wǎng)格及邊界條件

流域為長方體,入口距離艇艏1倍艇長;出口距離艇艉3倍艇長;左、右、上、下遠(yuǎn)場離艇軸線2倍艇長;采用全六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散計算域,各線型方案的網(wǎng)格拓?fù)渫耆粯?均為H-O型。潛艇表面生成邊界層網(wǎng)格,第一層網(wǎng)格的y+為80左右,邊界層的增長率為1.05,在艇體艏部、艉部、指揮臺圍殼和舵附近加密網(wǎng)格,以捕捉其較大的速度梯度變化,整個計算域共800萬左右的單元。潛艇表面網(wǎng)格分布如圖3所示。

圖2 四種指揮臺圍殼線型

入口設(shè)為速度入口,給定均勻來流的速度值;出口設(shè)為壓力出口;遠(yuǎn)場邊界設(shè)為對稱面;艇體表面定義為無滑移、不可穿透的壁面邊界條件。選取SSTk-ω湍流模型,采用有限體積法離散控制方程和湍流模式,對流和擴散項均采用二階迎風(fēng)格式離散,壓力速度耦合迭代采用SIMPLEC方法,計算了雷諾數(shù)1.2×107時四種指揮臺圍殼線型的尾流場。

圖3 艇體表面網(wǎng)格分布

3 結(jié)果及分析

伴流場的計算精度是衡量數(shù)值計算方法合理性的重要指標(biāo)。雷諾數(shù)為1.2×107時,槳盤面r/R=0.25處軸向無量綱速度隨周向角的變化數(shù)值計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果[13]的比較如圖4所示。

從圖4中可以看出數(shù)值計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好,可以清楚地顯示出在主艇體和指揮臺圍殼、尾翼等附體接合部馬蹄渦的影響下,流場隨周向角出現(xiàn)了明顯的“峰值-谷值”波動現(xiàn)象,顯示了流場極大的周向不均勻性。

各指揮臺圍殼線型方案的總阻力對比如表1所示。

圖4 r/R=0.25處無量綱軸向速度分布數(shù)值計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的比較

表1 各指揮臺圍殼線型方案的阻力對比

從表1可以看出:由于指揮臺圍殼剖面弦長和厚度增大,方案1和方案2的粘壓阻力增加,阻力性能惡化,只有線型4的總阻力比原型低。

圖5 各方案指揮臺圍殼附近的漩渦形態(tài)

各方案指揮臺圍殼附近Q=50時的漩渦形態(tài)如圖5所示,圖中清晰地反映了指揮臺圍殼附近的馬蹄渦和梢渦?？梢钥闯?方案1和方案2的馬蹄渦強度有所增加,方案3和方案4則有所減弱,由于方案4的頂部未采用過渡形式,所以有大量梢渦溢出。與Suboff原始線型相比,方案1和方案2的最大厚度變大,迎流面積增大,翼型前緣曲率半徑也變大,利于馬蹄渦的產(chǎn)生。由于方案4采用對稱翼型,前緣尖瘦,故馬蹄渦強度較弱。

各指揮臺圍殼方案不同軸向位置橫剖面處流體速度矢量分布如圖6～圖8所示,各個軸向位置依次為x/L=0.230、x/L=0.253、x/L=0.65。從這些圖中可以清楚地觀察到馬蹄渦的發(fā)展過程,顯示了馬蹄渦強大而穩(wěn)定的傳播能力。對比發(fā)現(xiàn),線型1的馬蹄渦強度最大,影響范圍最廣,而線型4的最弱。

圖6 x/L=0.230截面的速度矢量分布

圖7 x/L=0.253截面的速度矢量分布

圖8 x/L=0.65截面的速度矢量分布

不同線型方案槳盤面處(距艇艏部端點x/L=0.978)的軸向速度分布對比如圖9所示。從圖中可以看出:對于指揮臺圍殼線型1,由于馬蹄渦強度大大增加,所以其對槳盤面處的軸向伴流場影響范圍擴大,伴流場非均勻性惡化;對于指揮臺圍殼線型2,雖然軸向速度等值線的變化幅度增大,然而其變化率比原型有所緩和;對于指揮臺圍殼線型3,其伴流場非均勻也略有增加,只有指揮臺圍殼線型4,它與原型的分布形態(tài)及其相似,但變化幅值略有減小。

圖9 槳盤面處無量綱軸向速度云圖

不同指揮臺圍殼方案槳盤面r/R=0.25、r/R=0.3、r/R=0.35、r/R=0.4處無量綱軸向速度ux/U0隨周向角θ的變化如圖10所示。

從圖10中可以看出:除了指揮臺圍殼方案1加劇了槳盤面無量綱軸向速度的非均勻性外,其它方案均在一定程度上降低了軸向速度的變化率,提高了槳盤面流場的均勻性,特別是方案4,效果最好。

為了顯示定量效果,對槳盤面軸向速度的周向不均勻度系數(shù)uxΔ=(uxmax-uxmin)/U0進(jìn)行了計算。各指揮臺圍殼方案槳盤面流場的周向不均勻度的比較如表2所示。

表2 各指揮臺圍殼線型方案軸向速度不均勻度系數(shù)的對比

從表2中可以看出:指揮臺圍殼線型4各半徑處的不均勻度系數(shù)均比Suboff原型低,這說明該方案可以提高潛艇螺旋槳的進(jìn)流品質(zhì),將起到減小螺旋槳槳葉的非定常力變化范圍、改善螺旋槳振動與噪聲性能的作用。而其他線型方案,影響比較復(fù)雜,內(nèi)外半徑的效果并不一致。

伴流場的非均勻性導(dǎo)致流體流向槳葉剖面的合速度時高時低,進(jìn)流角時大時小,進(jìn)而使空泡的產(chǎn)生難以避免。研究發(fā)現(xiàn),伴流的變化率表征空泡的潰滅強度,直接影響船體激振力的大小。從定義中可以看出,不均勻度系數(shù)僅能反映出量級的速度波動,卻無法反映局部速度波動情況,更無法反映固定半徑上的周向速度波動的劇烈程度。在速度波動的區(qū)域,求ux/U0對周向角θ的偏導(dǎo)數(shù),采用向前差商代替一階導(dǎo)數(shù)。取|?ux/?θ|在各半徑上的最大值作為速度波動劇烈程度的指標(biāo),各指揮臺圍殼線型方案無量綱軸向速度變化率幅值的比較如表3所示。

圖10 不同指揮臺圍殼方案無量綱軸向速度ux/U0隨周向角θ的變化

從表3中可以看出:除了指揮臺圍殼線型1外,其他方案均能降低槳盤面軸向速度波動程度,提供更好的進(jìn)流品質(zhì)。

表3 各指揮臺圍殼線型方案無量綱軸向速度變化率幅值的對比

4 結(jié)語

本文以Suboff全附體模型為對象,采用RANS方法結(jié)合SSTk-ω湍流模型開展了潛艇指揮臺圍殼線型對尾流場品質(zhì)影響的計算分析,為潛艇指揮臺圍殼優(yōu)化設(shè)計提供了指導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn):

1) 角度設(shè)計適當(dāng)(厚度變化不宜過大)的斜壁式指揮臺圍殼能夠改善槳盤面伴流的均勻性,降低軸向速度波動的劇烈程度。

2) 指揮臺圍殼尖瘦的前緣形狀不僅可以降低阻力,而且有利于提高螺旋槳的伴流品質(zhì)。

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參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則

一.總要求

為了幫助向本刊投稿的作者按規(guī)范著錄參考文獻(xiàn),現(xiàn)將常見類型文獻(xiàn)的著錄格式作如下要求。

本刊要求雙語參考文獻(xiàn),所有的中文參考文獻(xiàn)均需附英文譯文,示例如下:

示例1:

[1] 焦李成,杜海峰,等．免疫優(yōu)化計算、學(xué)習(xí)與識別[M].北京:科學(xué)出版社,2006． JIAO Licheng, DU Haifeng, et al Immune optimization calculation 、Learning and Recognition [M]. Beijing: Science Press,2006．

[2] 李詩靈,陳寧,趙學(xué)彧．基于粒子群算法的城市軌道交通接運公交規(guī)劃[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通工程與科學(xué)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．

參考文獻(xiàn)中的責(zé)任者采用姓前名后的著錄形式。歐美著者的名可縮寫,姓大寫,姓和縮寫的名之間不可用“.”隔開,而是用空格。如用中譯名,可以只著錄其姓。如原文中作者為“P．S．昂溫”則在本刊要求中應(yīng)寫成“昂溫 P S”,Albert Einstein Seny應(yīng)寫成EINSTEIN A S。

參考文獻(xiàn)的責(zé)任者之間用“,”分隔。不超過3個時,全部照錄。超過3個時,只著錄前3個責(zé)任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜體。

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

二.圖書和期刊的著錄格式

◆ 普通圖書(原著): [序號]著者．書名[M]．版本(第1版不著錄)．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [3]余敏．出版集團研究[M]．北京:中國書籍出版社,2001:179-193． [4]中國社會科學(xué)院語言研究所詞典編輯室．現(xiàn)代漢語詞典[M]．修訂本．北京:商務(wù)印書館,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通圖書(譯著): [序號]著者．書名[M]．譯者,譯．版本．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [6]AGRAWAL G P． 非線性光纖光學(xué)[M]．胡國絳,黃超,譯．天津:天津大學(xué)出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科學(xué)與工藝學(xué)原理[M]．李慶龍,譯．2版．北京:中國食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序號]著者.題名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文頁碼． [8]蔣超,張沛,張永軍,等．基于SRLG不相關(guān)的共享通路保護算法[J]．光通信技術(shù),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(無卷) [序號]著者.題名[J]．刊名,出版年份(期):引文頁碼． [10]周可,馮丹,王芳,等．網(wǎng)絡(luò)磁盤陣列流水調(diào)度研究[J]．計算機學(xué)報,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.電子文獻(xiàn)的著錄格式

◆ 電子文獻(xiàn): [序號]主要責(zé)任者．題名:其他題名信息[文獻(xiàn)類型標(biāo)志/文獻(xiàn)載體標(biāo)志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．獲取和訪問路徑． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]蕭鈺．出版業(yè)信息化邁入快車道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.學(xué)位論文與論文集的著錄格式

◆ 學(xué)位論文: [序號]著者．題名[D]．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [13]孫玉文．漢語變調(diào)構(gòu)詞研究[D]．北京:北京大學(xué)文學(xué)院,2000．

◆ 論文集: [序號]著者．題名[C]//著者．專題名:其他題名．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [14]白書龍．植物開花研究[C]//李承森．植物科學(xué)進(jìn)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

國家自然科學(xué)基金項目(編號:51479207);海洋工程國家重點實驗室研究基金項目(編號:1514)資助。

盛立,男,博士,工程師,研究方向:艦艇水動力學(xué)。王展智,男,博士,講師,研究方向:船舶流體力學(xué)。齊萬江,男,碩士,助理工程師,研究方向:船舶流體力學(xué)。

U661.31

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.034