附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響

柏鐵朝，盧錦國

(中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064）

附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響

柏鐵朝，盧錦國

(中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064）

針對SUBX潛艇模型，采用數值計算手段，開展附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響分析。計算表明，附體導致潛艇粘壓阻力的顯著增加，以及伴流場不均勻性的產生。穩定翼對槳盤面半徑內伴流場不均勻性的影響較大，而指揮室圍殼主要影響槳盤面半徑外伴流場不均勻性。從降低阻力和改善伴流場角度考慮，需開展附體外形、位置及與主艇體連接形式的深入研究。

附體;潛艇;阻力;伴流場

0 引言

阻力性能和伴流場性能一直是潛艇水動力研究的熱點，20世紀50-60年代，大量的模型試驗證明了“水滴形”外形是阻力性能最優主艇體線型。然而，對于附體對潛艇的阻力及尾流場的影響程度、范圍和特點分析，由于保密等原因，鮮見較為完整的分析報告。20世紀90年代，美國泰勒水池 (DTRC）研究人員對SUBOFF潛艇模型進行了大量的風洞和水池實驗，提供了包括速度、壓力、艇體六分力和雷諾應力在內的大量水動力和流場數據［1］，得出了一系列的結論。國內外許多專家針對該模型進行了數值計算［2～4］，這些工作主要集中在對CFD代碼的驗證，取得了豐碩的成果。也有文獻［5-6］采用SUBOFF為計算對象，分析附體對潛艇阻力和尾部伴流場的影響。但是，上述工作存在一些不足:首先，SUBOFF模型是一個較簡單潛艇模型，其附體相對于主艇體來說尺度太小;另外，SUBOFF模型沒有上層建筑結構，這與一般潛艇外形不符。因此，針對SUBOFF潛艇模型的數值計算分析，對指導潛艇設計意義有限。

螺旋槳工作部位的流場不均勻性是產生螺旋槳葉頻離散輻射噪聲的決定性因素之一，也是影響潛艇臨界航速的重要因素。為分析附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響特點和程度，本文以SUBOFF為母型進行改變，稱為SUBX模型。主要變化如下:

1）主艇體長寬比變小;

2）增加了上層建筑和圍殼舵;

3）圍殼相對于主艇體的幾何比例增大，相對位置也有所變化;

4）尾部線型進行了修改;

5）穩定翼特性進行了較大修改。

改變后，SUBX模型的外形、主附體相對比例及位置與國外先進的常規潛艇，如“基洛”級、“阿穆爾”級、212A級更加接近。在此基礎上，開展潛艇各附體對阻力及尾部伴流場的影響分析。

1 計算模型

SUBX的主尺度見表1，三維外形如圖1所示。

圖1 SUBX模型外形圖Fig.1 Outline of SUBX model

表1 SUBX模型主要幾何參數Tab.1 Themain geometric parameters of SUBX model

關于全附體潛艇模型繞流場數值計算的計算方法和計算精度，國內外已有大量文獻［7-9］進行介紹，作者也進行了較多的計算［10］，并與試驗數據進行對比，已經形成成熟的數值計算手段。因此，可認為本文采用的數值計算方法得到的結果是有效的。

2 理論模型

2.1 控制方程

時均化后不可壓縮流體的連續性方程與動量方程為［11］:

2.2 湍流模式

根據相關文獻［7］建議及作者的實際經驗［10］，本文采用SST k-ω模式作為數值計算的湍流模式。相比于目前一些二方程湍流模式常采用壁面函數法，在k-ω模型中，對近壁面采用的是近壁模擬方法，實踐證明該方法具有更好的數值穩定性和精度［12］，但近壁模擬方法相比于壁面函數法對近壁網格密度的要求更高。k方程和ω方程的表達式［7］如下:

其中:Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能;Gω為ω方程;Γk和Γω分別為k和ω的有效擴散項;Yk和Yω分別為k和 ω的發散項;Dω為正交發散項;Sk和Sω由用戶自己定義。

3 數值模擬

3.1 坐標系及計算域

設定中縱剖面與基面的交線為x軸，指向艇尾為正方向;橫剖面與基面的交線為y軸，指向右舷為正方向;中縱剖面與橫剖面的交線為z軸，向上為正方向。

考慮到潛艇繞流場關于中縱剖面對稱，因此計算域取繞流場一半，以此減少計算域體積及計算網格。計算域為一半圓柱體區域 (見圖2），其邊界范圍如式(5）所示。

圖2 計算域示意圖Fig.2 Schematic diagram of computational field

3.2 網格劃分

采用ICEM CFD軟件對計算模型進行全結構化網格劃分。在艇體首部，指揮室圍殼和穩定翼附近的前后區域、艇體尾流區域這些位置，流體的速度和壓力變化較為劇烈，這些區域網格需要加密;在艇體表面，布置稠密的網格邊界層，保證計算時近壁面y+＜30，如圖3和圖4所示。整個計算域網格量為800萬。

圖3 全附體模型表面網格分部Fig.3 Surface grid distribution of full appendagesmodel

圖4 圍殼區域網格分部Fig.4 Grid distribution of sail zone

3.3 邊界條件

1）入口處及計算域外圓周邊界采用速度入口邊界條件，給定來流在x方向上的速度vx=3 m/s，進口處流體的湍流特性設定按照文獻 ［11］給出的公式設定;

2）出口處為壓力出口邊界條件;

3）艇體表面為固壁邊界條件，近壁區默認為近壁模擬法;

4）計算域對稱面設定為對稱邊界條件。

3.4 數值解算方法

計算采用直接求解三維粘性不可壓RANS方程的方法，使用有限體積法對流域進行離散，擴散項使用中心差分格式，對流項采用二階迎風格式，流場數值解法采用Simplec算法。

4 計算結果及分析

為分析附體對潛艇阻力性能及尾部伴流場的影響，本文進行了詳細的拆附體數值計算，共計6個計算模型方案 (見表2）。

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

4.1 附體對潛艇阻力性能的影響

從圖5可以看出，6個計算模型的摩擦阻力系數Cf基本一致，說明增減附體的設置對潛艇的摩擦阻力系數Cf影響很小。但附體的設置對潛艇的粘壓阻力系數Cv影響很大，且SUBX模型中對粘壓阻力系數貢獻最大的部分依次是:圍殼、穩定翼、圍殼舵、主艇體、上層建筑。其中，全附體 (full）模型粘壓阻力系數Cv是裸艇體 (bare hull）模型的粘壓阻力系數Cv的6倍，且在全附體模型中粘壓阻力占總阻力的比例達到了32%。

圖5 Re=1.3×107時計算模型的阻力系數情況Fig.5 Coefficient of the resistance of calculation model under

4.2 附體對潛艇尾部伴流場的影響

對于流場不均勻性的特征參數可用極差相對不均勻度來進行衡量，極差計算如下:

圖6～圖9為6個計算模型在槳盤面處x方向的速度分布。表5是各附體在槳盤面處對螺旋槳軸向速度周向不均勻性造成的影響。計算表明:

1）附體是造成槳盤面處伴流場軸向速度周向不均勻性的根源，并且，附體對槳盤半徑內的伴流場不均勻性的影響程度比槳盤半經外大;

2）各附體對伴流場不均勻性的影響區域不同。上層建筑、指揮室圍殼及圍殼舵僅對伴流場上半部分的速度場有重要影響，而穩定翼則對整個伴流場存在影響。可見，對伴流場不均勻性的影響與附體布置位置密切相關;

3）穩定翼是造成伴流場不均性的主要原因。但是，穩定翼對槳盤面半徑內伴流場不均勻性的影響程度比半經外大，從79%下降到55%;

4）指揮室圍殼是造成伴流場不均性的重要原因，指揮室圍殼對槳盤面半徑外伴流場不均勻性的影響程度比半經內大，從27%增加到75%;

圖6 r'=0.7時槳盤面處v'x分布Fig.6 Distribution in wake of propeller region at r'=0.3

圖7 r'=0.5時槳盤面處v'x分布Fig.7 Distribution in wake of propeller region at r'=0.5

圖8 r'=0.7時槳盤面處v'x分布Fig.8 Distribution in wake of propeller region at r'=0.7

圖9 r'=0.9時槳盤面處v'x分布Fig.9 Distribution in wake of propeller region at r'=0.9

5）本次計算模型中，從計算結果來看，圍殼舵反而改善了伴流場的不均勻性，關于圍殼舵對尾部伴流場的影響，目前鮮見相關文獻進行專門的研究，因此該現象值得進一步探討研究;

6）上層建筑對尾部伴流場不均勻性的影響較為穩定。

表3 不同方案軸向速度周向不均勻性對比Tab.3 Contrast of computation models for circumferential flow irregularity of axial velocity

5 結論及展望

本文針對SUBX潛艇模型的附體對阻力和尾部伴流場的影響開展了詳細的計算，得到附體對潛艇阻力及尾部伴流場影響的結論如下:

1）阻力方面。鑒于摩擦阻力系數Cf主要是和濕表面積有關，濕表面積主要由主尺度決定，由于潛艇主尺度很大程度上由總布置決定，那么降低潛艇阻力的重點研究方向應該是降低其粘壓阻力。因此，下一步將深入開展附體外形、位置及與主艇體連接形式的研究，以改善潛艇的阻力性能。

2）尾部伴流場方面。從改善槳盤面半徑內伴流場不均勻性角度考慮，可以針對穩定翼進行局部優化，從改善槳盤面半徑外伴流場不均勻性角度考慮，可以針對指揮室圍殼的外形、位置及與主艇體連接形式對尾部伴流場影響開展深入優化研究。

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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

柏鐵朝(1984-），男，碩士，工程師，從事船舶與海洋結構物設計。