潛艇指揮室圍殼頂部型線構型

杜 波 黃建偉 陳 源

武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064

潛艇指揮室圍殼頂部型線構型

杜 波 黃建偉 陳 源

武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064

采用求解RANS方程的數值計算方法，運用計算流體力學數值計算手段，對不同的指揮室圍殼頂部外型進行阻力、流場、壓力分布數值模擬及數值優化分析，并驗證了數值計算方法的可靠性。

CFD 潛艇 圍殼頂部型線 數值優化

潛艇指揮室圍殼是潛艇標志性的結構，是現代潛艇執行水面航行、離靠碼頭、收發信息、實施觀測和指揮的重要部位，它包括耐壓指揮臺、通訊室、多種升降裝置、水面航行操縱和指揮部位等。圍殼作為潛艇的最大附體，它將對艇體阻力、水動力噪聲以及艇的水下操縱特性帶來較大影響，尤其是圍殼的尾流將影響艇體尾部推進器處伴流場的均勻性和穩定性，進而增加推進器的噪聲。因此盡力減小圍殼尺寸，優化圍殼型線，減少圍殼帶來的不利影響，是各國潛艇設計者追求的目標。

指揮室圍殼的型線，與周圍流場湍流脈動壓力分布和尾渦發放的特性有關。從水動力原理研究出發，指揮室圍殼型線研究主要分為圍殼外形和圍殼與艇體的連接形式兩個方面。因為圍殼外形尤其是前緣曲率半徑和最大厚度的位置對圍殼本身的流噪聲和馬蹄形渦的大小、強度和位置都有影響。而圍殼與艇體的連接形式主要是對圍殼前緣流動分離現象和抑制馬蹄形渦的形成有影響［1］。

基于RANS方程中的RNGk—ε湍流模型［2-3］，分析3種不同圍殼頂部型線阻力及周圍流場進行數值模擬，并與試驗結果吻合較好。

1 數學模型

1．1 控制方程

不可壓縮流體連續性方程與RANS方程的張量形式為

式中：ρ——流體密度；

μ——流體的動力粘度；

ˉui——時均速度；

ui′——脈動速度；

ˉFi——體積力；

ρui′uj′——雷諾應力張量。

1．2 湍流模型

比較實用的湍流模型是標準k—ε模型和雷諾應力模型，根據大量計算實驗驗證，對于全附體潛艇，采用RNGk—ε湍流模型［3］。

1．3 研究對象和計算域

1．3．1 模型尺寸

總長度L＝4．51 m， 圍殼寬度b＝0．11 m，最大寬度B＝0．45 m，圍殼高度h＝0．26 m，圍殼長度l＝0．66 m，圍殼距艇首＝0．94 m。

坐標軸在艇首中部，x沿艇長方向，y沿艇寬方向，z沿艇高方向。

求解區域為一圓柱體，進口至首部的距離設為6L，上下邊界至主體水平對稱軸線距離為22B，出口至尾部距離設為11L，此時出口對內部流場影響甚微，可視為無窮遠壓力出口。一般三維幾何體外流場的計算采用逐層加密網格，本研究采用兩層圓柱加密區域，內層圓柱網格尺度為2 000，外層圓柱網格尺度為20 000，總網格數為109萬，形式為多塊非結構化網格。流域及其網格劃分見圖1、2。

圖1 潛艇計算流域圖

圖2 對稱面上潛艇圍殼附近網格圖

1．3．2 邊界條件

1）入口處速度為無窮遠處來流速度；

2）壓力出口為無窮遠處壓力；

3）壁面為潛艇外表面，速度為零；

4）對稱面：無漂角時，法向速度為零，物理量在對稱面的法向梯度為零。

1．4 數值計算方法

采用有限體積法離散控制方程和湍動能方程，采用SIMPLE方法進行壓力場和速度場的耦合，對流項和離散項的離散采用二階迎風差分格式。

2 指揮室圍殼頂部型線優化設計

為集中考察不同指揮室圍殼頂部型線對其阻力及其流場的影響，設計了3種方案不同形式的過渡方式，每種方式保持圍殼頂部型線指揮室圍殼主尺度不變，頂部過渡方式不影響總體布置。

2．1 方案1

采用直角連接，無任何過渡方式，見圖3。

圖3 圍殼頂部方案1

2．2 方案2

首部和側面均采用R＝400 mm的圓弧過渡，見圖4。

圖4 圍殼頂部方案2

2．3 方案3

圍殼首部采用曲線連接過渡，頂部采用光順曲面，見圖5。

圖5 圍殼頂部方案3

漂角β＝0°，各個方案阻力計算結果見表1。

表1 3種方案在β＝0°的阻力計算值

其中，第3種方案為試驗方案，試驗阻力系數為0．324×10—3，阻力計算值與試驗值的相對誤差在3．0%之內，充分說明了數值計算方法的可靠性。

阻力系數Ct為

式中：R——總阻力；

s——濕表面積；

v——速度。

雷諾數Re為

式中：L——艇長；

ν——水的運動粘度。

式中：n——方案2、3的阻力系數，n＝2，3；

R1——方案1的阻力系數，下類似。

漂角β＝5°，攻角為0，此時將艇體沿z軸旋轉5°，其流域和邊界條件均不變。各個方案水動力計算結果見表2。

表2 3種方案在β＝5°的水動力計算值

表中圍殼縱、橫向水動力系數X′、Y′為

式中：Fx、Fy——艇體受到的橫向力、縱向力；

L——艇長。

從表2中計算結果可以看出，針對該型模型艇，有漂角時，指揮室圍殼頂部采用圓弧過渡，可以明顯降低圍殼橫向力和縱向力。無漂角時，阻力也可明顯降低。

為了探討縱向力降低原因，從指揮室圍殼縱剖面上的速度矢量分布入手，β＝5°，見圖6、7、8。

圖6 方案1圍殼對稱面x方向速度矢量及壓力分布圖

圖7 方案2圍殼對稱面x方向速度矢量及壓力分布圖

圖8 方案3圍殼對稱面x方向速度矢量及壓力分布圖

從圖6、7、8中可以看出，方案1頂部有明顯的流動分離旋渦，造成流動分離旋渦的原因是由于存在逆壓梯度［4］。方案2和3頂部速度矢量及其壓力分布明顯要均勻些；方案3分布最均勻，其最低負壓值也大大減小，基本上抑制了旋渦，有利于減小圍殼頂部的形狀阻力。

有無漂角工況下，各個方案圍殼上的壓力云圖及對稱面上艇體型線上壓力系數分布的規律是一致的，見圖9、10、11，β＝0°。

圖9 方案1圍殼壓力系數分布曲線圖

圖10 方案2圍殼壓力系數分布曲線圖

方案1圍殼前緣區域由前緣處的高壓區迅速過渡到頂部的一個方形低壓區，該區域壓力變化劇烈，易產生水動力噪聲；方案2圍殼前緣區域壓力變化略微平緩，方案3比前兩種方案要平緩的多，可以減小該部位的水動力噪聲［1］。因此，方案3不論從阻力還是水動力噪聲方面，均是最優的。

圖11 方案3圍殼壓力系數分布曲線圖

3 結束語

運用商業軟件FLUENT對某潛艇模型的阻力、壓力、速度場進行了粘性數值模擬，驗證了數值計算方法的可靠性，對該型潛艇指揮室圍殼的線型進行了數值優化研究，合適的指揮室圍殼可以降低潛艇形狀阻力和水動力噪聲，在潛艇設計應用方面有重要的指導意義。

［1］俞孟薩．治理潛艇指揮臺圍殼噪聲的一些設想［J］．艦船性能研究，1994，6（3）：54-59．

［2］WU Bao-shan，PAN Zi-ying，XIA Xian，HONG Fangwen．Investagation of The Hydrodynamic Characteristics of Boby of Revolution with Stern Ring-wing［J］．Journal of Ship Mechanics，2003，7（6）：54-59．

［3］張 楠，沈泓萃，姚惠之．潛艇阻力與流場的數值模擬與驗證及艇型的數值優化研究［J］．船舶力學，2005，9（1）：1-13．

［4］潘子英，吳寶山，沈泓萃．CFD在潛艇操縱性水動力工程預報中的應用研究［J］．船舶力學，2004，8（5）：42-51．

Optimal design of the top form of submarine sail

DU Bo HUANG Jian-wei CHEN Yuan
Wuhan Second Ship Design and Research Institute Wuhan 430064

The FLUENT software was used to solve the RANSequation numerically，in order to analyze the resistance，flow field and pressure distribution for different top form of submarine sail．The numerical optimization analysis is carried out also．The results can be used in the design of top form of submarine sail．

CFD submarine top form of sail numerical optimization

U661．1

A

1671-7953（2007）02-0107-04

2006-09-15

修回日期2006-10-27

杜 波（1979—），男，碩士生。