RANS Simulation for the Maneuvering and Control of a Suboff Submarine Model

Submarine maneuverability has been analyzed by means of computational fluid dynamics(CFD).This approach provides an alternative,accurate,and cost-effective method for simulating actual flow.The numerical results show that the numerical simulation of the viscous flow related to a moving submarine based on the RANS equation with a relevant turbulence model can not only provide rich flow field details such as flow separation,but also accurately predict its hydrodynamic performance.The present study indicates that CFD can be used to forecast the submarine’s maneuverability in the initial design stage.The present results will be used in the future as a basis for analyzing methods to reduce the vibration and noise generated by the submarine.

基于SUBOFF模型的轻质量小型超高速水下航行体的外形结构参数优化

超高速航行体的外形结构是水介质阻力的主要影响因素。在航行体最大直径50 mm、材料45#钢(密度7.85 g/cm^(3))、质量1.0~1.2 kg的限定条件下,基于SUBOFF模型通过粒子群优化算法获得航行体首部、中间和尾部3部分长度范围均为30~40 mm;采用数值模拟和理论分析相结合的研究方法分析了结构参数对航行速度和流阻系数的影响,结果表明当中间长度为30 mm、首部长度为35~40 mm、尾部长度为30 mm和40 mm时,航行速度衰减缓慢,流阻系数较小;采用Design-Expert软件对外形结构参数进一步优化,方差分析表明首部、中间和尾部长度3个因素敏感性次序为首部长度>尾部长度>中间长度,通过响应面分析得到最佳外形结构参数组合为首部长度40 mm、中间长度30 mm、尾部长度30 mm,经验证其流阻系数(2.53×10^(4))最小,优化结果合理。轻质量小型航行体首部、中间和尾部3部分长度对流阻系数的影响相互交互,结构优化时应综合考虑各部分长度。研究结果可为轻质量小型水下航行体外形结构优化设计提供参考。

密度分层介质中水下航行体绕流涡演化特性

在真实海洋环境中,海水存在密度分层。当水下航行体在密度分层界面附近航行时,其尾流会破坏初始密度分层界面,形成分层尾迹。分层尾迹是非声目标特征之一,分层尾迹探测已成为水下航行体探测的新兴技术。为建立分层环境水下航行体尾迹探测的理论基础和方法,应先探明水下航行体绕流涡系在密度分层介质中的发展演化特性。本文以缩比SUBOFF模型为研究对象,开展了实验测试和大涡模拟,得到了水下航行体绕流涡系在密度分层介质中的精细流场,大涡模拟和实验测试结果与相关文献测试结果基本吻合。研究发现:由于模型尾部分离涡存在强非定常性,尾流中盐水与淡水的掺混表现出多尺度特征;较强的孤立涡结构在掺混分层流体的过程中,逐渐演化为规则结构并脱离分层主界面,分层界面在一定宽度范围内整体呈现出离散特征。研究表明,基于密度梯度的尾迹探测手段可以对水下航行体尾流场进行有效探测。

X形艉水下航行体姿态角对舵水动力特性的影响

[目的]X形艉布局的水下航行体及操纵策略特殊,受主体姿态角影响的X形艉舵特性与十字形艉布局的不同。[方法]基于SUBOFF模型的X形艉布局方案,通过数值计算分析变单舵、变单舵耦合攻角以及变单舵耦合漂角时的操纵性水动力特性,并按照现有的船标推荐公式,对舵角/姿态角耦合下的操纵性水动力特性进行拟合研究。[结果]结果表明,X形艉水下航行体变单舵时,舵与主体间存在较强的相互作用,使得两个正交平面内的水动力(矩)存在差异;区别于无主体姿态角时的X舵水动力特性,耦合主体姿态角后的X舵水动力特性明显受到主体的影响。在研究的姿态角及舵角范围内,右上舵和左下舵舵效分别随姿态角的增大而减小和增大。舵导数相对变化量值最大达16%。[结论]研究结果可为X形艉水下航行体操控及仿真评估分析提供参考。

基于壁面模化大涡模拟的SUBOFF壁面脉动压力数值研究

该文基于开源计算流体力学平台OpenFOAM,采用壁面模化大涡模拟中的非平衡壁面模型,对雷诺数Re_(L)=1.2×10^(7)(L为艇长)下的SUBOFF艇体绕流问题开展了数值研究。通过Liutex涡识别方法,该文给出了艇体近壁流动的涡结构分布,提取了艇体表面的时均压力系数,与实验数据进行了对比,并在此基础上重点研究了壁面模化大涡模拟对壁面脉动压力的预测,给出了不同区域的壁面脉动压力频率谱、平行中体处流向和周向波数-频率谱。研究结果表明:壁面模化大涡模拟能够准确预测艇体表面时均压力分布;脉动压力预测方面,艇体首部转捩区的压力脉动更为剧烈,脉动压力谱级整体高于充分发展湍流区;从脉动压力流向波数-频率谱中可观察到湍流能量集中的迁移脊,很好地反映了湍流的时空关联特性。

均匀流中潜艇水下运动表面尾迹的数值模拟

本文通过基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法对潜艇在均匀流中水下运动的表面尾迹特征进行了探索性研究,较好地解决了用粘性流方法来模拟远场波浪中的数值耗散问题,数值计算得到的潜艇运动尾迹特征与诸多文献和理论分析结果基本一致。本文均匀流中的数值模拟将成为潜艇在分层流运动数值模拟的基础。

带附体潜艇绕流场数值计算与验证(英文)

采用k-ε湍流模型和有限体积法用求解RANS方程的方法,对全附体的SUBOFFAFF-8潜艇模型三维粘性绕流场进行了数值模拟计算。一种结合增强型壁面函数的两层模型被采用,以便在近壁区域采用精细网格来模拟边界层内的流场流动特征。给出了雷诺数Re=1.2×107下模型表面纵中剖面线上半部分压力系数与摩擦阻力系数的分布,以及指挥台围壳与尾翼表面不同高度处的压力系数分布,同时计算了桨盘面处的尾流速度分布,并与有关文献给出的实测值进行了比较和验证,分布趋势基本一致,较相关文献给出的计算结果有相当大的改进,此外从指挥台围壳与尾翼后的速度矢量图观察到了与有关文献相同的涡旋流场结构,从而验证了该数值方法的有效性,为潜艇概念设计中评价设计方案优劣提供了重要的技术手段。

潜艇非稳态流场计算流体力学不确定度分析

依照ITTC推荐规程对美国DARPA潜艇模型SUBOFF光体在不考虑自由表面情况下的CFD计算进行不确定度分析。选取中间尺度的时间步长,验证中采用细、中、粗三套网格。在最精细的网格上进行不同时间步长的研究。最后对潜艇表面压力计算进行确认。

X形艉舵水下航行体变舵角水动力特性及其数学模型研究

由于水下航行体X形艉布局及操纵的特殊性,其水动力特性与传统的十字形艉布局存在着不同。以基于SUBOFF潜艇的X形艉布局方案为研究对象,通过数值计算分析变单舵、同变双舵及差动变舵时的操纵性水动力特性,并对舵导数进行拟合研究,在现有船标变舵角线性模型的基础上,对X形艉布局变舵角相关的水动力项进行增补。结果表明:X形艉布局水下航行体变舵角时舵与主体间存在着相互作用,该相互作用使得变舵角相关的水动力具有非线性;相对于变单舵的线性叠加,同变双舵时的操纵性水动力量值略大;相对于船标给出的变舵角线性项,增加非线性拟合项可较好地反映X形艉舵水下航行体整个舵角范围内变单舵、同变双舵时的水动力特性;差动变舵水动力特性较为复杂,在非线性拟合的基础上增加干扰项具有一定的改善作用。本研究可为水下航行体操纵运动建模及仿真评估分析提供支撑。

基于壁面模化大涡模拟的SUBOFF壁面脉动压力特性分析

采用壁面模化大涡模拟方法,通过近壁面边界层内层流动的壁面应力模型模化处理以及边界层外层和远场流动直接数值求解,对均匀来流中的SUBOFF潜艇主体模型周围的流动进行数值模拟。分析模型平行中体监测点处的壁面脉动压力特性,获得壁面脉动压力的自功率谱密度曲线。平行中体区域的湍流边界层发展较为充分,不同测点处的脉动压力自功率谱密度变化基本相同,随频率增加而逐渐降低。

带附体水下航行体近底运动时引起的流场压力变化

基于势流理论,忽略水面兴波影响,以SUBOFF模型为对象,建立了水下航行体近底运动时引起的流场压力变化的数学模型,并应用Hess-Smith方法编程计算了SUBOFF模型的两种代表结构AFF-1和AFF-2近底运动时引起的流场压力变化。通过将SUBOFF模型表面压力系数的计算结果和实验数据进行比较,验证了该计算方法及程序的正确性和可靠性。对SUBOFF模型引起的水底压力变化特性进行了计算和分析。结果表明:SUBOFF模型指挥台围壳对水底压力变化的影响很小,可以忽略。

回转体潜器在循环水槽中垂直面大攻角操纵性试验

以半尺寸SUBOFF潜器模型为研究对象,在循环水槽中利用平面运动机构完成包含不确定度分析的模型垂直面静态操纵性试验研究.测试内容包括:潜器在±60°攻角内、流速在1.0~1.2 m/s间的纵向力、垂向力及纵倾力矩.根据试验结果利用分段函数归纳了潜器垂直面操纵运动的数学模型,并应用最小二乘法拟合操纵性方程中的各项水动力系数.试验结果表明:测得无因次水动力的总不确定度较小,试验方法切实可靠;试验垂向力与纵倾力矩的无因次值随攻角值的增加而增大,纵倾力矩的无因次值在攻角超过±25°范围的非线性与非对称性十分明显;分段函数更适用于描述大攻角工况下的潜器垂直面操纵运动.

沙丘形围壳对潜艇流场影响的数值模拟

以SUBOFF模型为例,针对其围壳形状进行沙丘化改进,采用CFD数值计算方法对比了2种不同沙丘形围壳与母型围壳的阻力和尾部伴流分布情况,初步提出了潜艇指挥室围壳优化方案;计算结果表明:对于指挥室围壳阻力,方案1与方案2围壳较母型围壳的减阻率均能达到33%左右;对于潜艇总阻力,方案1与方案2的潜艇总阻力较母型潜艇减阻率均能达到3.5%左右;在较低进流速度下,方案2的减阻率要略高于方案1;在较高流速下,方案1在桨盘面处流场的均匀性较好于母型和方案2;针对沙丘形围壳对阻力和尾部伴流场的影响进行了初步探索,验证了可以通过改变围壳形状达到减阻和均匀尾流场的目的,为指挥室围壳形状优化提供了新的思路。

粗糙表面水下航行体阻力特性分析

基于SUBOFF水下航行体模型,对不同航速下光滑表面及粗糙表面水下航行体开展数值分析。首先基于试验标模进行直航阻力数值模拟及网格收敛验证,并与试验值比较验证数值计算结果的准确性及有效性。随后,通过验证后有效的计算模型对光滑表面及粗糙表面航行体水动力特性进行数值分析,结果表明水下航行体直航时,相较于光滑表面航行体,粗糙表面航行体阻力有所增加。光滑表面航行体的总阻力比高度2 mm的粗糙表面航行体的总阻力小8%~10%,比高度1 mm的粗糙表面航行体的总阻力小7%~10%。在同样阻力情况下,高度2 mm粗糙表面航行体航速为20 kn时,光滑航行体航速可达到21.6 kn。

满足静水性要求的Jackson潜艇船型

分析Jackson潜艇线型控制方程的几种表现模型形式,其中:2个形状因子的模型可利用设计要求中的排水体积与浮心纵坐标的联立方程组获得;其他针对2个形状因子的模型可利用优化方法获得。通过实例验证该方法的可行性。结果表明,该方法可用于建立数学线型,进而用于多学科设计优化。

艇模水下阻力试验方法研究与数值验证

采用钢骨架外敷玻璃钢的结构加工设计Suboff标模,针对不同的剑型以及剑艇连接方式,采用浅浸深方式开展艇模水下阻力试验,分析不同剑型与连接方式所带来的结果差异,并将其结果与ITTC公布的试验数据进行对比,最后在数值仿真的基础上,通过观察不同速度下的流场流速以及压力分布情况,分析连接剑装置对艇流场的影响。

分层流体中潜艇模型螺旋桨作用对内波特性影响实验研究

在具有连续密跃层的分层流体中,采用多通道电导率阵列技术和循环拖曳技术,对长径比为8和带有5叶左旋桨的自推进Suboff潜艇模型在3种拖曳速度(Fr=0.7、2.1和4.2)下,伴随不同强度的螺旋桨效应Jnd生成的内波特性进行了实验研究。结果表明,在水平波形结构中,螺旋桨效应激发的内波为一类内层V字型波,由对称结构和非对称结构组成。在低速(Fr=0.7和2.1)时,存在一个螺旋桨效应的临界点;当Jnd小于临界值时,主控内波是定常的,其激发源为艇体和螺旋桨的组合体积效应;当Jnd大于临界值时,主控内波是非定常的,其激发源为螺旋桨的尾迹效应;转捩前后的无因次内波峰-峰幅值均随Jnd增大而线性增大;内层V字型波的出现时间和波形张角随Jnd增大而逐渐提前和变大。在高速(Fr=4.2)时,主控内波是非定常的;在自航点前,主控激发源为艇体的尾迹效应,螺旋桨对其有衰减作用,无因次内波峰-峰幅值随Jnd增大而线性减小,内层V字型波也逐渐减弱,衰减作用在自航点达到最大;在自航点后,主控激发源为螺旋桨的尾迹效应,无因次内波峰-峰幅值随Jnd增大而线性增大,内层V字型波也逐渐增强。