X舵在不同位置时SUBOFF潜艇的水动力特性

为分析X舵在不同纵向位置时现代潜艇的水动力特性,采用计算流体力学进行数值模拟,采用非结构网格研究X舵在3个位置时SUBOFF潜艇在不同来流速度下直航所受总阻力,及在攻角为±5°、±10°下所受纵向力、垂向力和俯仰力矩,研究直航和俯仰运动状态下X舵纵向布局对潜艇水动力性能的影响,及对应的压力云图。对结果进行分析对比可知:X舵位置变化对潜艇所受纵向力的影响较小,但对垂向力和俯仰力矩影响增大;随X舵位置向后移动,潜艇的垂向力增大,俯仰力矩减小,两者均在攻角为±5°时变化最大。

SUBOFF潜艇非线性流动噪声数值预报研究

目前常用的预报非线性水动力噪声的方法是可穿透积分面FW-H方程,但是当涡量穿过积分面的瞬间会产生虚拟的声压信号,导致计算准确性下降。论文基于原始的FW-H方程预报线性噪声,使用直接体积分方法预报非线性噪声,消除虚假信号干扰,并结合双网格方法来降低计算量。使用开源CFD工具包OpenFOAM求解器进行流场大涡模拟及声学预报计算。以SUBOFF潜艇为研究对象,从近场和远场角度分析非线性声压频域分布特征,并对双网格方法的计算精度和效率进行了分析。研究结果表明,在声网格尺度合适的前提下,双网格方法能够显著提高非线性噪声的计算效率并保证计算精度。

潜艇指挥塔数学线型

潜艇指挥塔是潜艇最重要的组成部分,而其围壳型线优化设计是潜艇设计的重要步骤.不同于传统研究中将潜艇指挥塔看作横剖面是椭圆形的柱体,而是利用垂向函数法,研究了指挥塔剖面的弦长与半宽都随高度变化时横剖面为翼型的指挥塔的数学线型.针对梯形指挥塔和填角弧形指挥塔,通过求解超越方程组,得到指挥塔线型.对SUBOFF潜艇的算例,验证了所提出的潜艇指挥塔数学线型求解方法的有效性.该方法可以在缺乏母型船数据的情况下,快速获得满足静水性条件的潜艇围壳型线.

基于潜艇模型尾流湍流强度和耗散率的CFD模拟

优良的隐身性能使得潜艇具有强大的突防能力,因此,控制潜艇尾流信号特征对于提高潜艇隐身性能意义重大,这些信号特征主要包括尾部湍流强度、湍动能、湍流耗散率等。同时,优良的艇型对于抑制尾流信号特征、提高潜艇快速性和隐身性也具有重要意义。基于此,采用RANS方法计算SUBOFF潜艇主艇体艇型及6种改良艇型的艇体粘性绕流,将CFD方法用于分析艇体半径、艇艏长度、艇艉长度等参数对潜艇尾流信号特征的影响。计算结果显示:在SUBOFF潜艇主艇体艇型及其6种改良艇型的尾流场中,增加艇体半径有利于抑制远尾流场湍流信号特征,在近场则不利;增加艇艏长度能降低近尾流场湍流信号特征,在远场影响较小;增加艇艉长度在近、远尾流场均有利于降低其信号特征。

基于改进Jackson船型的潜艇外形多学科设计优化

采用改进的Jackson潜艇线型控制方程,建立了潜艇船型的数学船型,在不影响船型描述的基础上,减少了设计参数。进而以流噪声最小、粘滞阻力最小和容积最大为目标,研究了潜艇外形设计的多学科优化。对SUBOFF潜艇模型优化的结果,使得容积增大5.81%,表面积增大4.39%,阻力系数减小5.556%,转捩区噪声减小7.46%,阻力减小1.36%,为改进设计提供了参考。

附体对分层流中潜艇水动力特性的影响

为探讨密度分层流中附体对潜艇周围流场及阻力特性的影响,基于雷诺平均方程建立一种用于模拟密度分层流中水下潜体航行特征的计算流体力学模型。采用SUBOFF潜艇模型进行收敛性研究,并与实验结果进行对比验证数值模型的精确性;采用该模型模拟得到加装不同附体工况下的潜艇以不同航速航行时的水动力特性,并结合压力变化分析相关结果产生的原因。结果表明:附体对分层流中潜艇水动力特性的影响与航速高低有关;在弗劳德数为0.5附近,潜艇兴波阻力系数达到最高;附体带来的潜艇表面曲率突变会引起较大的压力变化;所建模型展示了潜艇的航行尾迹特征,并对密度分层流中水下潜体运动问题模拟方法的选取及潜艇附体的优化设计具有一定参考价值。

深水密度层航行潜艇兴波尾迹分析

为研究不同航行参数对深水密度层航行潜艇兴波尾迹特性的影响,基于黏流理论,通过用户自定义函数方式给定各项流体层分布,建立用于密度分层流中水下潜体水动力特性模拟的多相流数值模型。对在深水密度层即内波交界面以下以不同航速、下潜深度航行的SUBOFF潜艇兴波尾迹特性进行数值仿真,并对波切线、水质点速度分布、兴波分布等结果进行分析讨论。研究结果表明:航速对深水密度层航行潜艇兴波尾迹的影响较大,在Fr为0.6附近的中速阶段,潜艇首、尾兴波尾迹最为明显;潜艇下潜深度主要影响自由液面及内交界面处的兴波波幅;与浅水密度层航行潜艇兴波尾迹相比,深水密度层航行潜艇产生的自由面尾迹特征相似,但内波面尾迹会明显不同;交界面上的水质点速度分布随各航行参数的变化与兴波尾迹的变化具有一致性。揭示潜艇在深水密度层这一特殊位置处航行时的兴波尾迹特征,可丰富不同位置处航行潜艇水动力特征分析的手段,并为潜艇的非声探测提供参考。

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。

多面体网格在船体绕流计算中的应用

为了验证多面体网格在船体绕流、特别是存在自由面的高速船体绕流计算中的有效性,将多面体网格应用于动网格中,基于多面体网格对DARPA Suboff潜艇进行了数值计算;基于混合网格和动区域法对一种高速单体穿浪船进行了数值计算,并将数值计算结果同水池实验结果进行了对比.研究表明:同四面体网格相比,多面体网格能有效减少非结构网格的单元数量,并能用更少的网格单元获取相似甚至更好的计算结果;多面体网格在潜艇绕流计算上的应用效果非常好;结合Robust(Octree)网格生成方法可改善多面体网格的正交性和分层性,进而能够更好地捕捉波形和飞溅;混合网格结合动区域法可以将多面体网格应用于包含船体运动的数值计算.

水下航行器仿生非光滑表面减阻特性

为节约能源和制造高性能的航行器,基于虎鲸皮肤结构设计一种可显著降低水下航行器阻力的新型仿生非光滑表面。通过数值模拟评估不同形状参数下非光滑表面的减阻性能,讨论仿生非光滑表面对近壁面流场和湍流强度的影响。结果表明:仿生非光滑表面在较大速度范围可以增加湍流边界层厚度,降低流场湍流强度,减少表面摩擦阻力;在0.5~15 m/s速度范围内,应用仿生非光滑表面的平板摩擦阻力减少9%以上,最大总阻力减阻率达到7.57%;将该仿生非光滑表面应用于无附体SUBOFF潜艇模型表面进行减阻优化设计,潜艇最大总阻力减阻率达到11.31%;新型仿生非光滑表面适用范围较广,可有效降低水下航行器的总阻力,具有良好的工程应用前景。

近冰脊航行潜艇自推进水动力特性研究

为了掌握冰脊对潜艇近冰面航行时水动力特性的影响,针对带有KP505螺旋桨的SUBOFF潜艇模型,建立了由3组等间距冰脊组成的冰下航道近冰面流场,采用重叠网格与滑移网格相结合的自推进潜艇水动力研究方法,预报了带有KP505螺旋桨的全附体SUBOFF潜艇在连续冰脊下的自航特性,分析了冰脊与自航潜艇的水动力耦合特性。研究发现,相比于平整冰面,潜艇在连续冰脊下自航点的螺旋桨转速降低可达11%;潜艇近冰脊航行时阻力一直在均值附近不断波动,波动幅值约为均值的10%;潜艇经过冰脊下方时的表面压力系数增大,推力系数降低。

高速潜艇水动力学特性及流噪声空间演化规律研究

潜艇是当代海军的重要作战武器,其水动力学特性和流噪声特性是性能优劣的重要参考依据,同时,潜艇又在不断向着高航速方向发展。该文以SUBOFF全附体潜艇模型为研究对象,应用FLUENT中的RNG k-ε湍流模型和FW-H声学模型,对20.00 kn、30.00 kn及40.00 kn高航速条件下的潜艇水动力学特性和流噪声空间演化规律进行了研究,包括潜艇表面所受阻力情况以及绕流场压力、速度和旋涡的分布特性,分析了航速变化对水动力学特性的影响,发现:潜艇在水下前行时,其壁面所受压力与航速平方成正比;潜艇周围流域的速度峰值均约为航速的1.36倍;随航速增加,马蹄涡逐渐远离指挥台和艉翼,尾涡变粗变长,旋涡运动增强。此外,该文还分析了不同航速下,特征点处流噪声的总声压级、声压频率和声功率密度,发现航速增加一倍,特征点处流噪声增加约6 dB,声功率主要集中在0~3500 Hz;探究了航速及辐射半径对潜艇纵横剖平面上流噪声指向性的影响,对比了不同航速潜艇艏艉方向上流噪声的衰减规律,发现径向指向性强于潜艇艏艉方向,辐射半径增加时,径向的指向性愈发显著,径向与艏艉方向的总声压级纵横比k随辐射半径的扩大基本呈现对数增长趋势;潜艇上游流噪声的衰减快于下游,且随距离的增大逐渐趋于一致;潜艇航速对声指向性的影响较小,对远场流噪声衰减规律无明显影响;还拟合得出了流噪声随辐射半径、航速变化的衰减规律表达式,相关性超0.99。该研究结果对于进一步优化潜艇型线,改善其流动和噪声性能,提升综合作战能力具有重要意义。