114-数值计算有漂角时潜艇表面压力与水动力特性

第五届中国CAE工程分析技术年会论文集697数值计算有漂角时潜艇表面压力与数值计算有漂角时潜艇表面压力与数值计算有漂角时潜艇表面压力与数值计算有漂角时潜艇表面压力与水动力特性水动力特性水动力特性水动力特性柏铁朝，梁中刚，周轶美，敬军中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064摘摘摘摘要要要要：：：：潜艇处于水平转向时，指挥台围壳作为低展弦比、有限翼展机翼处于斜流之中，在来流的作用下其后缘形成的自由涡向后伸展并在空间产生诱导速度场，诱导速度场与绕流场的合成流场使围壳后方艇体的上表面压力大于下表面压力，并诱导潜艇的潜浮与纵倾运动。本文数值计算了MSU潜艇模型在一定漂角范围内不同Re数下的艇体压力分布、垂向力及纵倾力矩。结果表明：指挥室围壳是造成艇体上下表面压力差的主要因素，垂向力及纵倾力矩随漂角变化具有明显的非线性特性，而计算Re数大于临界Re数后对压力系数的影响很小。计算值与实验值吻合良好，为潜艇艇体姿态控制提供参考。关键词关键词关键词关键词：数值计算；潜艇；漂角；表面压力与水动力Numericalsimulationofsubmarine’shullpressureandhydrodynamicforcesatangleofdriftBaiTie-chao,LiangZhong-gang,ZhouYi-mei,JinJunChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,ChinaAbstract：：：：Whenasubmarineexecutesahorizontalturning,thesailexperiencesacrossflowvelocitycomponent,creatingavortexatthesailtip.Theflowfieldinducedbythevortexandcircumferentialmotioncreateshigherpressuresonthehulldeckandlowerpressuresonthekeel,leadingtoapitchingmoment.thepressuredistributionsaroundhull,verticalforceandpitchingmomentvaryingwithdriftanglesandRenumberswerecalculatedwithMSUmodelinthispaper,Itindicatesthattheadditionofthesailistheprimereasoncausinganincreaseinthepressuresonthedeckandadecreaseinthepressuresonthekeel,thevariationsofverticalforceandpitchmomentwithdriftanglesdemonstrateanonlinearincreasewithanglesofdrift,whiletheeffortsofReynoldsnumberontheforce,momentandpressuredistributionsareveryfewifitisuptothecriticalReynoldsnumber.Thenumericalresultsarecreditablebycomparingwiththemeasureddata,andsomeinformationishelpfulforsubmarinecontrol.Keywords:numericalsimulation;submarine;drift;pressuresandhydrodynamicforces.1111引言引言引言引言潜艇操纵性是潜艇综合性能的重要指标，良好的操纵性对于战斗潜艇的战斗力、工作效能、安全性、经济性都有非常重要的意义[1]。目前国内外先进潜艇最高航速可达25节以上，高速航行过程中当潜艇出现水平转向或回转运动时，潜艇指挥室围壳作为低展弦比、有限翼展的机翼处于一个有攻角的绕流场中并在其后缘形成向后伸展的自由涡，自由涡引起的诱导第五届中国CAE工程分析技术年会论文集698速度场，其与主艇体绕流场的合成流场使得围壳后方艇体顶部的横向绕流速度降低，从而艇体上表面压力大于下表面压力。由于指挥室围壳通常位于潜艇重心前（10~25%）L处，其后方产生向下的垂向力引发了潜艇垂直面的抬首与纵倾运动，这加大了艇体姿态的控制难度，而对在浅水域活动的潜艇，水平面突然转向所伴随的垂直面升沉和纵倾运动会对潜艇的安全性能带来潜在危险[2]。国外关于有漂角时潜艇的水动力性能研究内容十分丰富，其中以SUBOFF项目最为有名，该项目是由美国国防高等研究计划署（DARPA）提出，其重要目的之一就是为潜艇CFD水动力计算提供验证。目前已形成了非常丰富的水动力及尾流场试验数据[3]。密西西比州立大学在模型试验与数值模拟方面做了大量的研究[4]，Jonnalagadda[5]采用B-L湍流模式计算了SUBOFF模型在有漂角下的垂向力与纵倾力矩，Zhen[6]采用二方程做了类似的水动力数值计算，但这些主要是针对模型在7105.1Re×≈时的艇体六分力计算。Alin[7]采用LES模型对变漂角下的潜艇非稳态外流场进行数值模拟，对潜艇表面压力场求解及产生的一次分离流与二次分离流的捕捉获得了满意的结果。Bridges[4]针对密西西比州立大学的潜艇模型（MSU模型），采用拘束模型方式对潜艇在有漂角、高Re数下的艇体表面压力分布及水动力与力矩进行了的实验研究。国内关于潜艇操纵性能研究的公开的实验数据几乎没有，绝大部分研究均基于数值计算方法。张亮[8]采用采用势流方法求解了艇航向改变时产生的垂向力和俯仰力矩,是国内这方面研究较早的一篇文献，随着计算机的发展，采用数值求解RANS方程的方式来研究潜艇操纵性水动力得到了发展[9]，这些计算大部分集中于CFD代码的验证，也积累和大量的经验。本文的主要内容是数值求解带指挥室围壳的MSU模型在有漂角、高Re数下的艇体表面压力分布及水动力性能，详细讨论了潜艇有漂角运动时产生垂向力与纵倾力矩的原因，以及指挥室围壳、Re数及漂角角度对潜艇表面压力与水动力特性的影响，并与试验结果进行对比。为潜艇模型试验及艇体姿态控制提供参考。2222计算模型描述计算模型描述计算模型描述计算模型描述2.12.12.12.1相关参数符号及坐标定义相关参数符号及坐标定义相关参数符号及坐标定义相关参数符号及坐标定义L——主艇体长FL——艇体进流段长PL——艇体平行中体长AL——艇体去流段长D——艇体最大直径cgx——艇体重心至艇艏距SL——指挥室围壳长H——指挥室围壳高B——指挥室围壳最大宽度fsL-——指挥室围壳前缘至艇艏距离Z——垂向力M——纵倾力矩2221LUZZρ=′3221LUMMρ=′U——来流速度文中设定纵舯剖面与基面的交线为x轴，向艇艉为正方向；舯截面与基面的交线为y轴，向右舷为正方向；纵中剖面与舯截面的交线为z轴，向上为正方向。原点为艇艏端点。2.2.2.2.2222计算计算计算计算模型模型模型模型及网格及网格及网格及网格2.2.1计算模型计算模型计算模型计算模型本文采用MSU模型（图1）作为计算模型，其原因是可方便地与实验数据[4]对比。MSU第五届中国CAE工程分析技术年会论文集699主艇体为回转体，指挥室围壳剖面为机翼型，模型主尺度参数见表1：图1MSU模型几何特征表1模型主尺度2.2.2计算域计算域计算域计算域计算域为长方体域（图2），计算域的边界范围具体如下：5.31-Lx；7.05.1-Ly；8.07.0-Lz；图2计算域示意图2.2.3网格划分网格划分网格划分网格划分采用ICEMCFD软件对计算域进行结构化网格划分，见图3~4，其中主艇体计算模型的网格数240万，主艇体加指挥室围壳计算模型的网格数为330万。图3主艇体加指挥室围壳模型纵剖面网格布置主艇体指挥室围壳L6.920mSL0.565mFL1.384mH0.321mPL3.460mB0.108mAL2.076mfsL-1.240mD0.623mLxcg0.32第五届中国CAE工程分析技术年会论文集700图4主艇体加指挥室围壳模型横剖面网格布置3333数值计算数值计算数值计算数值计算方法方法方法方法3.13.13.13.1控制方程控制方程控制方程控制方程及湍流模型及湍流模型及湍流模型及湍流模型不可压缩流体的连续性方程：0=∂∂iixu(1)RANS方程：ijjijjiijijifxuuxxuxpxuutuρρμρρ+∂∂-∂∂∂+∂∂-=∂∂+∂∂''2(2)基于Boussinesq提出的涡粘假定，建立Reynolds应力相对于平均速度梯度的关系：ijjitijjitjixukxuxuuuδμρμρ∂∂+-∂∂+∂∂=-32''(3)++==2'2'2'212wvuuukji(4)采用目前使用较为广泛的二方程Realizableε-k湍流模型，其k和ε的输运方程如下：∂∂∂∂=kjkixuxu''ρμε(5)ερμμ2kCt=(6)ρεσμμρρ-+∂∂∂∂=∂∂+∂∂kjktjiiGxkxxuktk＋)()((7)νεερερεσμμρερεε+-+∂∂∂∂=∂∂+∂∂kCECxxxutjtjii221)()(＋(8)第五届中国CAE工程分析技术年会论文集7013.23.23.23.2边界条件边界条件边界条件边界条件设定设定设定设定计算流场域的边界由进流边界、出流边界、壁面边界和控制域边界组成，其中：⑴进流边界：采用速度进口边界条件，给速度大小与方向，入口处湍流参数根据文献10给定；⑵出流边界：压力出口边界条件；⑶物面边界：采用无滑移边界条件,在近壁区采用加强型壁面函数法；⑷控制域边界：为没有受到扰动的边界条件；3.33.33.33.3方程离散及迭代方式方程离散及迭代方式方程离散及迭代方式方程离散及迭代方式采用有限体积法离散控制方程和湍流模式。对于压力方程采用标准的离散格式进行离散，对于动量方程、湍流方程、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。4444计算工况及结果分析计算工况及结果分析计算工况及结果分析计算工况及结果分析为详细分析指挥室围壳、Re数及漂角角度对艇体压力分布、垂向力及纵倾力矩的影响，针对文献4提供的试验数据，对模型的28个工况（表2）进行计算。压力系数pC及无量纲化压力'p的定义与文献2一致，见式（9）、式（10）。其中参考压力0=βp为主艇体在0度漂角下的周向平均压力。()()2021UppCpρθθβ=-=(9)2'21Uppρ=(10)表2计算工况表主艇体模型主艇体加围壳模型NO.Usm/βdegNO.Usm/βdegA15.150B15.150A25.151B25.151A35.153B35.153A45.155B45.155A55.157B55.157A65.159.5B65.159.5A79.185B79.185A810.50B810.59.5A914.760B914.760A1014.761B1014.761A1114.763B1114.763A1214.765B1214.765A1314.767B1314.767A1414.769.5B1414.769.5第五届中国CAE工程分析技术年会论文集7024.14.14.14.1指挥室围壳的影响指挥室围壳的影响指挥室围壳的影响指挥室围壳的影响图6为主艇体加指挥室围壳模型在β=9.5度，U=14.76sm/时艇体的表面压力系数分布（左图为计算值，右图为文献4提供的实验值），可以看出在x/L=0.47、0.65两处位置的艇体顶部压力系数pC均明显大于艇体底部，且文中的计算值与实验值亦非常吻合。图7~8比较了在有漂角斜流中围