張大朋,嚴(yán) 謹(jǐn),趙博文

(1. 廣東海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院,廣東 湛江 524088;2. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院, 浙江 舟山 316021)

1 引言

潛艇是一種既能在水面航行又能在水下潛行并進(jìn)行作戰(zhàn)活動(dòng)的軍用艦船,其最大的特點(diǎn)是具有良好的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性[1]。作為海軍主要作戰(zhàn)單位之一,潛艇需要完成一系列具有即時(shí)性、戰(zhàn)術(shù)性以及緊急性特點(diǎn)的操縱運(yùn)動(dòng),這就需要潛艇具有良好的操縱性[2]。因此,對(duì)于潛艇操縱性的研究歷來(lái)都是潛艇總體設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[3]。斜航試驗(yàn)一般在普通長(zhǎng)條形拖曳水池或風(fēng)洞中進(jìn)行,用來(lái)確定漂角的位置導(dǎo)數(shù)。試驗(yàn)時(shí)船模安裝在拖車(chē)上,其中縱剖面與水池中心線成一夾角,做等速斜航運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)系統(tǒng)地改變漂角β,測(cè)量船模所受的拘束力和力矩,從而可以求得水動(dòng)力位置導(dǎo)數(shù)[4]。

目前對(duì)潛艇斜航的數(shù)值模擬方法可以簡(jiǎn)單分為兩種[5]:一種是模型不動(dòng),按照漂角β設(shè)置入口速度分量;另一種是模型按照實(shí)際漂角β設(shè)置,只在入口處給定速度。第一種方法分別在模型前方和側(cè)方的速度入口處設(shè)置流速的分量u和v,兩個(gè)流速分量在模型處合成一個(gè)新的流速,該流速和模型的夾角即為漂角β。該方法有一定的不便之處:由于模型和水流進(jìn)行了等同處理,與直接更換模型角度的方法相比,求解設(shè)置更加繁瑣,對(duì)首次接觸CFD的初學(xué)者來(lái)說(shuō)并不友好。除此之外,由于模型和計(jì)算域的相對(duì)位置始終不變,該方法不能直觀的反應(yīng)模型漂角β的改變對(duì)周?chē)鲌?chǎng)的影響,模型和水流之間的擾動(dòng)作用也并不明顯,因此可能在一定程度上增大計(jì)算誤差。

第二種方法通過(guò)改變模型角度實(shí)現(xiàn)漂角β的變換,直觀上比第一種方法更接近現(xiàn)實(shí)。但每次更換漂角時(shí)都需要改變模型角度,雖然各水域工況下水下航行器的幾何模型和水域模型是相同的,但漂角的改變帶來(lái)了航行器姿態(tài)的變化,因此需要對(duì)每一個(gè)水域工況進(jìn)行模型重建,同時(shí)需要重新關(guān)聯(lián)網(wǎng)格設(shè)置,這樣必將大大增加劃分網(wǎng)格的工作量,同時(shí)增大了完成一個(gè)水域工況計(jì)算所需的周期,給計(jì)算工作增添了很多重復(fù)繁瑣且不必要的步驟。

基于此,本文采用一種新的計(jì)算方法——靜態(tài)重疊網(wǎng)格法,該方法有一個(gè)包絡(luò)模型的重疊區(qū)域和一個(gè)大范圍的靜止區(qū)域,每次變化漂角只需要改變重疊區(qū)域的角度,網(wǎng)格不需要重新生成。既能夠直觀的反應(yīng)真實(shí)模型狀態(tài),又不需要重新關(guān)聯(lián)網(wǎng)格,極大的減小了工作量,節(jié)約了時(shí)間成本。

2 潛艇空間運(yùn)動(dòng)受力分析

2.1 坐標(biāo)系及參數(shù)表達(dá)

為了方便研究潛艇在海洋空間中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,本章采用如圖1所示的兩個(gè)坐標(biāo)系:一個(gè)是固定在大地上的慣性坐標(biāo)系O-ξηζ;另一個(gè)是坐標(biāo)原點(diǎn)固定在艇體重心上的隨艇一起運(yùn)動(dòng)的艇體坐標(biāo)系G-xyz,x軸正向指向船艏,y軸正向指向右舷,z軸正向指向船底,兩個(gè)坐標(biāo)系均為右手坐標(biāo)系。運(yùn)動(dòng)的艇體坐標(biāo)系還可以分解為水平面上的坐標(biāo)系和垂直面上的坐標(biāo)系。

圖1 慣性坐標(biāo)系和艇體坐標(biāo)系

通常情況下采用不同的坐標(biāo)系描述運(yùn)動(dòng)問(wèn)題沒(méi)有本質(zhì)上的差別,除了上述艇體坐標(biāo)系外,還有一種應(yīng)用在導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)、魚(yú)雷航行過(guò)程中的雷體坐標(biāo)系。艇體坐標(biāo)系和雷體坐標(biāo)系在受力分析上沒(méi)有本質(zhì)上的差別,只有在擬合水動(dòng)力系數(shù)過(guò)程中和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上有所區(qū)別。本文主要研究全附體潛艇的水動(dòng)力性能,并不涉及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),因此為了方便研究,選取艇體坐標(biāo)系作為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系,潛艇的操縱運(yùn)動(dòng)方程也是在圖1所示的艇體坐標(biāo)系下建立。

艇體坐標(biāo)系下,潛艇相對(duì)于固定坐標(biāo)系的平移速度U可以分解為x軸上的縱向速度u、y軸上的側(cè)向速度v和z軸上的垂向速度w,同樣的,繞艇體重心G轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度Ω也可以分解為橫搖角速度p,俯仰角速度q和偏航角速度r,力和力矩在艇體坐標(biāo)系上分解同樣可以得到三個(gè)分量?，F(xiàn)將艇體坐標(biāo)系下潛艇的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和水動(dòng)力表達(dá)列于表1中。

表1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)和水動(dòng)力表達(dá)

水平面運(yùn)動(dòng)中,潛艇重心處的速度矢量U與x軸正方向的夾角稱(chēng)為漂角β,規(guī)定由速度矢量U轉(zhuǎn)到x軸順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?符合右手法則;垂直面運(yùn)動(dòng)中,速度矢量U與x軸正方向的夾角稱(chēng)為攻角α,規(guī)定由速度矢量U轉(zhuǎn)到x軸逆時(shí)針向?yàn)檎?同樣符合右手法則。

2.2 潛艇流體動(dòng)力

潛艇在水中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的力可分為流體靜力和流體動(dòng)力。流體靜力是指潛艇受到的重力和浮力;流體動(dòng)力是指潛艇在水中運(yùn)動(dòng)時(shí),艇體、螺旋槳、舵和附體等推動(dòng)周?chē)鲌?chǎng)的物體與水之間的相互作用力。艇體的運(yùn)動(dòng)、螺旋槳的旋轉(zhuǎn)會(huì)使周?chē)乃鬟\(yùn)動(dòng),從而引起運(yùn)動(dòng)的水流對(duì)艇體的反作用力。這種反作用力的大小、方向和分布都取決于潛艇的運(yùn)動(dòng),所以在操縱性研究中,通常把艇體與舵作為一個(gè)整體,操舵看作是艇形的改變(本章不考慮轉(zhuǎn)舵的情況),而把螺旋槳的水動(dòng)力分開(kāi)研究。除此之外,為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,一般認(rèn)為潛艇在平靜的無(wú)限深廣水域中運(yùn)動(dòng),即不考慮流場(chǎng)邊界的影響。

圖2 水平面坐標(biāo)系

圖3 垂直面坐標(biāo)系

2.3 潛艇流體慣性力

流體慣性力只與加速度項(xiàng)和加速度線性項(xiàng)相關(guān)。潛艇空間六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)所有的流體慣性力共有36項(xiàng)

(1)

2.4 流體黏性力

(2)

垂直面的黏性力(矩)可以表示為

(3)

式中,一階水動(dòng)力系數(shù)可以細(xì)分為:位置導(dǎo)數(shù)Yv,Nv,Zw,Mw(又稱(chēng)速度導(dǎo)數(shù))和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)Yr,Nr,Zq,Mq(又稱(chēng)角速度導(dǎo)數(shù))。

當(dāng)考慮空間運(yùn)動(dòng)時(shí),就需要考慮平面運(yùn)動(dòng)之間的相互影響,這其中包括橫傾運(yùn)動(dòng)時(shí)速度引起的水動(dòng)力、既有攻角又有漂角的斜側(cè)直航、同時(shí)有側(cè)向速度v和角速度ω的耦合運(yùn)動(dòng)等。為了詳細(xì)講解水動(dòng)力系數(shù)的求解過(guò)程以及仿真流程,本章的水動(dòng)力計(jì)算均在水平面和垂直面中進(jìn)行,不考慮空間的復(fù)雜狀況。

2.5 無(wú)因次化體系

由于物體的水動(dòng)力特性只和其水動(dòng)力外形及布局有關(guān),而不受具體幾何尺寸或者水密度、航速、質(zhì)量等因素的影響,因此為了在討論中排除不同尺寸、航速等因素對(duì)其所受水動(dòng)力的影響,在潛艇的水動(dòng)力學(xué)中引入了無(wú)因次化體系。無(wú)因次化體系中的基本物理量列于表2中。

表2 無(wú)因次體系的基本物理量

表3 無(wú)因次體系的物理量

基本量的額定值將作為其自身無(wú)因次化的基值,同時(shí)基本量基值的不同組合也確定了其余所有水動(dòng)力量的基值。在基本量基值的基礎(chǔ)上可以得到無(wú)因次化后的物理量:

3 全附體潛艇的斜航仿真

3.1 SUBOFF模型

SUBOFF潛艇模型是美國(guó)國(guó)防高等研究計(jì)劃署設(shè)計(jì)[12]專(zhuān)門(mén)用于驗(yàn)證CFD計(jì)算準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)模型。目前很多國(guó)家對(duì)SUBOFF模型進(jìn)行了系統(tǒng)的水動(dòng)力性能計(jì)算及流場(chǎng)的測(cè)試試驗(yàn),。本文以SUBOFF全附體潛艇為計(jì)算模型。

SUBOFF全附體潛艇由一個(gè)回轉(zhuǎn)的裸艇體、一個(gè)指揮臺(tái)圍殼和四個(gè)呈十字形分布的尾舵翼組成,實(shí)際潛艇總長(zhǎng)104.5米,采用1:24縮小模型。首部長(zhǎng)度1.016米,平行中段長(zhǎng)度2.229米,尾部長(zhǎng)度1.111米,總長(zhǎng)4.356米。艇身最大回轉(zhuǎn)直徑為0.508米。指揮臺(tái)前緣位于艇體0.924米處,指揮臺(tái)長(zhǎng)0.368米,高0.46米。尾翼后緣位于4.007米處,呈十字形布置。

SUBOFF的主尺度和幾何模型見(jiàn)表4和圖4。

表4 SUBOFF主尺度

圖4 SUBOFF全附體幾何模型

圖5 SUBOFF的艇體坐標(biāo)系

圖6 艇體面網(wǎng)格

3.2 導(dǎo)入模型

斜航模擬中對(duì)慣性坐標(biāo)系的位置并無(wú)特殊要求,但仍建議將慣性坐標(biāo)系放置在艇的重心上,x軸正向指向艇艏,y軸指向右舷側(cè),z軸指向艇底,原點(diǎn)距離艇艏2.009m。這樣做的好處是可以在慣性坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上直接生成一個(gè)相同的坐標(biāo)系,該坐標(biāo)系即為斜航的艇體坐標(biāo)系。

3.3 建立計(jì)算域

建模時(shí)圓柱半徑設(shè)置為0.55m,該半徑不僅要包絡(luò)住艇的最大回轉(zhuǎn)半徑體,還要包含艇上的圍殼指揮臺(tái)。斜航模擬的計(jì)算域大小一般通過(guò)以下準(zhǔn)則確定:入口邊界距離艇艏1.5倍艇長(zhǎng),出口邊界距離艇尾2.5倍艇長(zhǎng),艇四周均為1.5倍艇長(zhǎng),可以根據(jù)實(shí)際工況適當(dāng)調(diào)整計(jì)算域大小。

重疊網(wǎng)格和背景網(wǎng)格通過(guò)交界面進(jìn)行插值計(jì)算和流場(chǎng)信息的交換,通常情況下,兩套網(wǎng)格重疊部分的網(wǎng)格尺寸要保持一致,而且背景網(wǎng)格的加密區(qū)域在交界面處要至少向兩側(cè)延伸兩層密網(wǎng)格厚度,以保證兩套網(wǎng)格插值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

回轉(zhuǎn)形狀的艇體和三維水翼狀的尾舵曲率變化較大,因此需要添加面加密來(lái)捕捉其形狀和結(jié)構(gòu),整個(gè)重疊區(qū)域也是水流和艇體產(chǎn)生相互作用的區(qū)域,其網(wǎng)格也需要加密。

重疊網(wǎng)格尺寸和背景網(wǎng)格在重疊區(qū)域的尺寸應(yīng)保持一致,以確保交界面處插值計(jì)算穩(wěn)定。最終生成的重疊區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量約104萬(wàn),背景區(qū)域網(wǎng)格約330萬(wàn),總計(jì)約434萬(wàn)。

初始狀態(tài)(計(jì)算未開(kāi)始時(shí)),重疊網(wǎng)格和背景網(wǎng)格會(huì)處于如圖7所示的互相交錯(cuò)狀態(tài)。計(jì)算過(guò)程中,背景網(wǎng)格中重疊的部分會(huì)被挖去,只有交界面兩側(cè)會(huì)有網(wǎng)格重疊,如圖8所示。通過(guò)轉(zhuǎn)換重疊區(qū)域的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)潛艇漂角和攻角的變化。約束模操縱性實(shí)驗(yàn)得到的水動(dòng)力系數(shù)都是由艇體坐標(biāo)系下的力和力矩?cái)M合而得,因此原始艇體坐標(biāo)系也需要轉(zhuǎn)換相同的角度。

圖7 初始狀態(tài)的重疊網(wǎng)格和背景網(wǎng)格

圖8 計(jì)算過(guò)程中的重疊網(wǎng)格和背景網(wǎng)格

4 后處理和數(shù)據(jù)分析

4.1 水動(dòng)力系數(shù)

斜航實(shí)驗(yàn)主要測(cè)定潛艇無(wú)因次的位置導(dǎo)數(shù)(速度導(dǎo)數(shù)),包括水平面的Yv′、Nv′和垂直面的Zw′、Mw′。將漂角(攻角)-14°～14°范圍內(nèi)的一系列試驗(yàn)工況下所得的力和力矩按表3進(jìn)行無(wú)因次化處理并擬合,擬合后的曲線如圖9所示。

圖9 擬合曲線

擬合曲線中的一階系數(shù)即為潛艇無(wú)因次的速度系數(shù),將其與美國(guó)泰勒研究中心所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,列于表5中。

表5 斜航水動(dòng)力系數(shù)比較

由表5可知,仿真值與試驗(yàn)值相比,最大誤差不超過(guò)7%。在±4°的小漂角范圍內(nèi),潛艇所受的力和力矩基本上呈線性分布,隨著漂角的增大,力和力矩之間的非線性增大,這也就多出了擬合方程中的三次項(xiàng)。如果將整個(gè)潛艇看作一個(gè)特殊的巨大水翼,那么艇長(zhǎng)就相當(dāng)于水翼的弦長(zhǎng),艇的回轉(zhuǎn)半徑(艇寬)相當(dāng)于翼厚,由于回轉(zhuǎn)半徑同艇長(zhǎng)相比是一個(gè)極小值,所以潛艇也可以看作是一個(gè)展弦比極小的水翼。因此在水平面的斜航過(guò)程中,潛艇變化的漂角相當(dāng)于水翼的攻角,此時(shí)艇體受到一個(gè)升力Yvv,潛艇前體和后體的升力方向一致,都是指向v的負(fù)方向,因此總的側(cè)向力Y是一個(gè)較大的負(fù)值,Yv′也是一個(gè)較大的負(fù)值。水動(dòng)力矩由于前體和后體的首尾作用相抵消,其絕對(duì)值并不會(huì)很大。在水動(dòng)力中心形成之前,潛艇的前體首部作用同后體尾部作用相比占優(yōu),因此Nv是一個(gè)較小的負(fù)值,此時(shí)偏航力矩Nvv有使漂角增大的趨勢(shì)。垂直面的斜航過(guò)程中,垂向力Z的變化趨勢(shì)和原理同水平面一致,而俯仰力矩Mww同水平面相反,是一個(gè)正值。這是因?yàn)楫?dāng)垂直面出現(xiàn)攻角時(shí),由于圍殼指揮臺(tái)和尾翼的存在使得艇體上下不對(duì)稱(chēng),四個(gè)尾翼中的三個(gè)均暴露在進(jìn)流面中,艇體進(jìn)流面的面積集中到重心以后,像風(fēng)標(biāo)一樣,此時(shí)Mww從負(fù)值變成正值。并且當(dāng)垂直面出現(xiàn)攻角時(shí),在Mww的作用下,有使攻角減小的趨勢(shì)。

4.2 渦結(jié)構(gòu)

潛艇在粘性流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的渦系如圖10所示。

圖10 潛艇渦系

圖10詳細(xì)展示了潛艇在粘性流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)渦的形成與脫落。由圖10可以看出,艇體本身產(chǎn)生的渦最為劇烈,經(jīng)歷形成、發(fā)展、附著和脫落等歷程后,在艇體后方形成復(fù)雜的渦量場(chǎng)。主艇體的進(jìn)流段和去流段均有一層厚厚的附著渦,平行中體處會(huì)發(fā)生交錯(cuò)分布的渦脫落。指揮臺(tái)圍殼和尾翼與主艇體的接觸部分均會(huì)產(chǎn)生馬蹄渦。由于附體背流一側(cè)發(fā)生了流動(dòng)的分離,主艇體和指揮臺(tái)的背流面會(huì)在圍殼根部形成結(jié)合渦,這種結(jié)合渦會(huì)和馬蹄渦沿艇長(zhǎng)方向的延伸渦形成項(xiàng)鏈狀渦對(duì)。該渦對(duì)在向艇后延伸的過(guò)程中會(huì)和艇體去流段處產(chǎn)生的渦結(jié)合并形成一個(gè)渦鼓包。潛艇在粘性流體中運(yùn)動(dòng)時(shí),流體會(huì)受到指揮臺(tái)圍殼和尾翼等障礙物的阻礙作用,從而流速降低,產(chǎn)生下游壓力大,上游壓力小的逆壓梯度,當(dāng)這種逆壓梯度大到一定程度時(shí),流體原來(lái)的運(yùn)動(dòng)不僅會(huì)被停止,而且會(huì)在逆壓梯度的作用下向指揮臺(tái)圍殼和尾翼的上游(反方向)運(yùn)動(dòng),從而在靠近圍殼等障礙物根部附近的地面角區(qū)形成沿著圍殼進(jìn)流面根部周向分布的流動(dòng)分離的渦旋,阻礙了流體進(jìn)入圍殼和尾翼的根部區(qū)域。由于這種渦旋的渦面形狀類(lèi)似于彎曲的馬蹄鐵形狀,因此被稱(chēng)為馬蹄渦。這就是潛艇馬蹄渦系形成過(guò)程和原因。

圍殼頂端和后緣的尾渦也呈現(xiàn)項(xiàng)鏈形狀,與艇體的項(xiàng)鏈渦對(duì)不同的是,圍殼頂端的項(xiàng)鏈渦更為粗大,受漂角變化和流動(dòng)分離的影響更明顯。尾翼與主艇體產(chǎn)生的馬蹄渦會(huì)沿著艇體向后延伸,其隨邊下游也會(huì)出現(xiàn)尾渦。尾翼附體的馬蹄渦和尾翼隨邊下游的尾渦之間的相互影響會(huì)一直持續(xù)到槳盤(pán)面處,并且在槳盤(pán)面處發(fā)生渦量匯集,從而使螺旋槳持續(xù)工作在附體尾渦的非均勻流場(chǎng)中。同時(shí),在尾翼端面和尾緣上方處也會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生附著渦蹄。

4.3 不同漂角對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響

以水平面的斜航運(yùn)動(dòng)為例,選取0°、2°、6°、10°和14°共計(jì)5個(gè)漂角,重點(diǎn)研究漂角改變對(duì)潛艇和周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。

圖11是5個(gè)漂角下的潛艇渦結(jié)構(gòu)示意圖。由圖11可以看出,在0°和2°的小漂角下,主艇體的平行中段幾乎沒(méi)有附著渦的產(chǎn)生,指揮臺(tái)圍殼頂端和后緣也沒(méi)有項(xiàng)鏈渦結(jié)構(gòu),這說(shuō)明在小漂角范圍下,潛艇附體渦系的變化較為平緩,不會(huì)形成大范圍的渦系脫離以致大幅改變艇體和尾舵附近流場(chǎng)的流動(dòng)。隨著漂角的增大,主艇體平行中段的附著渦逐漸增多,且圍殼項(xiàng)鏈渦沿艇長(zhǎng)方向逐漸拉伸成細(xì)條狀,潛艇背流面渦系發(fā)展、脫離速度明顯加快。指揮臺(tái)圍殼和主艇體的接觸部分的馬蹄渦和結(jié)合渦愈發(fā)明顯,同時(shí)尾部的渦系也更加復(fù)雜,說(shuō)明漂角增大對(duì)潛艇渦結(jié)構(gòu)帶來(lái)了不利的影響。

圖11 不同漂角下的潛艇渦結(jié)構(gòu)

圖12是不同漂角下潛艇在不同截面處的渦量等值線。主艇體平行中段的渦量主要來(lái)自指揮臺(tái)與主艇體接觸部分的渦流。由上文可知,指揮臺(tái)圍殼周?chē)约把赝чL(zhǎng)方向的渦量主要由一條項(xiàng)鏈狀的渦對(duì)主導(dǎo),該渦對(duì)源自指揮臺(tái)邊界層的翻卷。項(xiàng)鏈渦沿著艇的平行中段向后延伸,與指揮臺(tái)圍殼的非定常邊界層發(fā)生了粘性相互作用,并形成了額外的縱向渦流。在指揮臺(tái)圍殼的頂端和后緣,形成了與不穩(wěn)定船體邊界層相互作用的直立側(cè)渦,而項(xiàng)鏈渦流則在指揮臺(tái)圍殼后緣形成了復(fù)雜的不穩(wěn)定尾流,這也是上文提到的圍殼尾渦的形成原因。從小漂角變化到大漂角,圍殼后緣的直立側(cè)渦會(huì)在流動(dòng)分離的作用下發(fā)生大幅度側(cè)斜,并與尾舵產(chǎn)生的渦流逐漸融合。由于項(xiàng)鏈渦流迫使流體從圍殼向外流向主艇體,因此它可能在艇體后緣附近,在艇體曲率和兩個(gè)渦流系統(tǒng)(項(xiàng)鏈渦流和直立側(cè)渦流)的聯(lián)合作用下向艇體傳遞高動(dòng)量流,從而產(chǎn)生艇體的不穩(wěn)定性,同時(shí)造成分離和碰撞。隨著項(xiàng)鏈渦進(jìn)一步向艇后發(fā)展,它會(huì)部分失去其連貫性,并有朝艇體展平的趨勢(shì)。在這個(gè)過(guò)程中,它與彎曲增厚的艇體邊界層相互作用,產(chǎn)生了一個(gè)非常復(fù)雜的近壁流場(chǎng)。大漂角斜航下,艇體周?chē)膹?fù)雜流動(dòng)導(dǎo)致了橫跨艇體的動(dòng)量傳輸,從而影響了艇體邊界層中的速度和湍流應(yīng)力分布。

圖12 不同漂角下的渦量等值線

尾翼下游尾渦片中的渦量主要來(lái)源于沿著尾翼表面的邊界層。潛艇尾翼后面的尾渦片將會(huì)引起誘導(dǎo)壓阻力,這種誘導(dǎo)壓阻力是一種三維流動(dòng)效應(yīng),它將隨著尾翼展弦比的減小而增大。尾翼產(chǎn)生的渦流會(huì)在艇體后方持續(xù)存在,但不與其它渦流相互作用,而且該渦流會(huì)在螺旋槳上方通過(guò)。

圖13是不同漂角下潛艇槳盤(pán)面處(x/Loa=0.978)的速度等值線圖。直航狀態(tài)(0°漂角)下,槳盤(pán)面處的速度沿槳軸周向均勻分布,由內(nèi)向外速度線性增大。周向上的速度有一個(gè)范圍較大的等值區(qū),該等值區(qū)向內(nèi)會(huì)有一個(gè)驟降現(xiàn)象,這是由于艇體的外形從平行中體收縮到后體造成的。平行中體的速度等值線上方有一個(gè)由圍殼指揮臺(tái)引起的速度突起,隨著漂角的增大(從艇后向前看為右漂),該速度突起同樣會(huì)向右移動(dòng),同時(shí)由圍殼指揮臺(tái)引起的項(xiàng)鏈渦會(huì)使中心處的速度降低。四個(gè)呈十字分布的尾翼在槳盤(pán)面處引起的速度等值線同樣呈十字分布,且漂角越大,該現(xiàn)象越明顯。大漂角范圍下右尾翼處的速度等值線先是向槳軸處收縮,呈現(xiàn)牛角狀,然后逐漸匯攏,并與圍殼指揮臺(tái)引起的速度突起融合。由圖12可知,大漂角斜航下,橫跨艇體的動(dòng)量傳輸影響了艇體邊界層中的速度,在圖13中具體體現(xiàn)為:槳盤(pán)面處邊界層中的速度躍升,且漂角范圍內(nèi)速度分布十分不均,不利于螺旋槳的工作。

圖13 不同漂角下槳盤(pán)面的速度等值線圖

5 結(jié)論

靜態(tài)重疊網(wǎng)格法計(jì)算得到的位置導(dǎo)數(shù)與試驗(yàn)相比誤差在允許范圍之內(nèi),滿足工程應(yīng)用需求。

在±4°的小漂角范圍內(nèi),潛艇所受的力和力矩基本上呈線性分布,隨著漂角的增大,力和力矩之間的非線性增大。

在小漂角范圍下,潛艇附體渦系的變化較為平緩,不會(huì)形成大范圍的渦系脫離以致大幅改變艇體和尾舵附近流場(chǎng)的流動(dòng);隨著漂角的增大,潛艇背流面渦系發(fā)展、脫離速度明顯加快。指揮臺(tái)圍殼和主艇體的接觸部分的馬蹄渦和結(jié)合渦愈發(fā)明顯,同時(shí)尾部的渦系也更加復(fù)雜,說(shuō)明漂角增大對(duì)潛艇渦結(jié)構(gòu)帶來(lái)了不利的影響。

大漂角斜航下,橫跨艇體的動(dòng)量傳輸影響了艇體邊界層中的速度;槳盤(pán)面處邊界層中的速度躍升,且漂角范圍內(nèi)速度分布十分不均,不利于螺旋槳的工作。

直航狀態(tài)(0°漂角)下,槳盤(pán)面處的速度沿槳軸周向均勻分布,由內(nèi)向外速度線性增大;大漂角范圍下右尾翼處的速度等值線先是向槳軸處收縮,呈現(xiàn)牛角狀,然后逐漸匯攏,并與圍殼指揮臺(tái)引起的速度突起融合。