共翼型舵水动力特性的模型试验与数值模拟

国际上新型潜艇的尾操纵面设计,采用了将前部稳定翼和后部转动舵组合成完整翼型剖面的共翼型布局方式。为了研究这种共翼型舵与常规舵在水动力性能上的差异,运用模型试验和数值计算模拟方法,对共翼型舵和常规非共翼型舵的水动力和流场进行了对比研究与分析。结果表明:共翼型舵在小舵角工况时能够保持舵翼结合部流线的光顺,舵角5°时共翼型舵总升力比非共翼型舵总升力增加了65.3%;但在大舵角工况,共翼型舵叶背容易发生流动分离形成分离涡,导致升力性能变差,舵角25°时共翼型舵总升力比非共翼型舵总升力减小了9.2%。在小舵角时,共翼型舵尾流区的流场湍动能较低,流动稳定性更好。

共翼型舵特性及其对潜艇潜浮运动影响研究

共翼型舵是一种新型的潜艇组合舵翼操纵面。文章首先通过水洞试验和CFD计算对共翼型舵的敞水水动力性能进行了研究,结果表明,共翼型舵的舵效随弦长比和展弦比增大,封堵舵翼之间的间隙可以显著提高舵的水动力性能。随后通过CFD计算对比了分别安装有普通舵、共翼型舵和封堵缝隙的共翼型舵的潜艇的潜浮运动,结果显示,5°舵角时,安装共翼型舵和封堵缝隙的共翼型舵的潜艇模型潜浮角分别比安装普通舵的模型提高65%和105%左右。

艇尾共翼型舵水动力和尾流场特征的数值计算研究

为了研究共翼和非共翼两种方式的舵翼操纵面在艇体影响下的水动力性能和尾流场品质,对SUBOFF潜艇标准模型的尾部水平操纵面分别进行了共翼型设计和非共翼型设计,并采用数值模拟方法,计算了两种操纵面产生的艇体水动力和尾流特征。对比分析结果表明:舵角小于10°时,采用共翼型舵的艇体俯仰力矩和潜艇总垂向力比非共翼型增大30%以上;舵角大于10°后,随着舵角增大水动力优势减小,25°舵角时水动力性能基本相当。共翼型舵能够明显消减舵翼结合部涡流,可以增大舵后尾流低速区流体的速度,提高潜艇尾流场品质。采用共翼型舵的尾操纵面设计方式,对于提高潜艇操纵性水动力、改善潜艇尾流区流场品质都能起到积极效果。

共翼型舵潜艇操纵运动的数值模拟

为了提高潜艇的战术机动性能,采用一种稳定翼与转动舵共型的尾操纵面设计,为优化潜艇操纵性能提供新方案。采用数值模拟方法,针对SUBOFF标模进行系列的约束模型试验模拟,获取其水动力系数并与实验结果进行对比,确保计算方法的有效性。在此基础上,对潜艇的尾操纵面进行改造,分别设计非共型、共型尾操纵面,模拟两种尾操纵面形式潜艇在垂直面和水平面内操舵后的机动状态。采用共翼型设计的尾操纵面潜艇的操纵性能改善明显,在15°转动舵角范围内,共型舵艇的下潜速度相对非共型艇提高了21.3%~91.9%,回转直径相对于非共型艇减小了18.5%~28.1%,回转周期缩短了18.8%~46.5%,初始转艏时间缩短了5%~13.4%。共型尾操纵面设计能大幅提升潜艇的操纵性能指标。其在力学性能方面存在足够的裕度,因此可为潜艇其它性能方面进行更加深入的优化提供空间。

不同舵翼操纵面形式的水动力及艇后流场特性数值模拟研究

为研究共翼型舵和非共翼型舵两种操纵面形式的艇后流场特性及螺旋桨推进特性,基于SST (Menter) k-ω湍流模型建立了SUBOFF标准潜艇模型尾流场数值预报模型。经试验结果验证,所建立数值模型进行潜艇尾流场及螺旋桨推进性能预报具有较高精度。将SUBOFF潜艇模型的水平舵改进为共翼型舵及非共翼型舵,对艇后流场及水动力性能进行了预报。数值结果表明:在舵角小于10°时,共翼型舵使潜艇的俯仰力矩和垂向力相对非共翼型舵提升20%以上;在舵角超过10°时,共翼型舵的水动力优势随着舵角增大而减小。尾部流场预报显示:共翼型舵在小舵角时可以有效地消除舵翼结合处的涡流,同时共翼型舵可以有效地降低桨盘面伴流的不均匀性,对尾流品质的改善效果优于非共翼型舵。螺旋桨计算结果显示:共翼型舵螺旋桨推进系数在大部分舵角下都小于非共翼型舵,在舵角为20°时,共翼型舵相对非共翼型舵推力系数下降3.5%,扭矩系数下降2.4%;同时共翼型舵的桨盘面流场均匀度要优于非共翼型舵,舵角为5°时,共翼型舵桨盘面处流场不均匀度相对于非共翼型舵要降低7.1%,舵角为25°时则降低25.1%。