Fluent在碟形深潛器水動力性能的應用分析

王金強++王平平++母寶穎

摘 要：文章利用Fluent方法模擬了一種新型碟形深潛器在直航狀態所受的總阻力以及斜航狀態下所受的橫向力Y和縱向力X并與試驗方法進行比較從而得出Fluent模擬方法具有一定的準確性可以應用于該碟形潛器的水動力性能分析。碟形深潛器水動力性能的預報對于其外形的優化至關重要，傳統的研究方法主要有有理論方法、試驗方法和數值模擬。眾所周知，試驗方法一直是碟形潛器研究的主要方法，而隨著計算機技術的快速發展，以流體力學為基礎的計算流體力學方法也逐漸成為一種重要方法，與傳統方法相比，運用Fluent模擬的方法則更加靈活和經濟，但該方法與試驗方法的相對誤差隨著Fr數的增加而增加，進而說明該方法還需要進一步優化。

關鍵詞：碟形深潛器；水動力；數值計算；CFD；Fluent

中圖分類號：TV131 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

本文將首次利用這一先進技術對該新型碟形潛器的阻力性能進行初步的數值計算分析，并與理論計算結果相比較證明使用Fluent技術得到的模擬結果是可信的.通過比較計算結果和模擬試驗結果之間存在偏差為此提出了下一步工作內容。

1 控制方程和湍流模型

1.1基本的控制方程

文中模擬以上圖1的三維模型在靜水中以定常速度U0作勻速直線運動時船體周圍的粘性流場. 根據相對運動原理可視作船體模型靜止而水以速度-U0從遠方相對于潛器模型勻速流動. 假定流

體是不可壓的則流場的連續方程和動量方程分別為：

（1） （2）

式中： ， 為速度分量時均值（i，j =1 2 3 ）；P為壓力時均值；ρ為流體密度；ν為流體粘性系數； 為重力加速度分量； 為雷諾應力項. 方程中的雷諾應力項屬于新的未知量.因此要使方程封閉必須對該應力項作某種假設即建立應力的表達式通過表達式或湍流模型把應力項中的脈動值與時均值聯系起來.文中選取理論上發展較為完善 在工程上廣泛運用的a -E二方程湍流模型來封閉RANS 方程.湍流模型的方程如下：

式中：C1 =1.44 C2 =1.92 =1.0 =1.3.

通過湍流運動粘度Vt建立了Reynolds應力與平均速度梯度的關系 使得控制方程封閉.Vt表示成k和 的函數 即：Vt= .

為經驗常數 =0.09.

1.2湍流模型

本文主要應用了RNG k一 占模型，因為模擬彎曲壁面流動的時候，標準k—s模型會失真，則沒有選擇標準模型，其相應的湍流輸運控制方程如下：

RNG k一占模型，湍流方程如下：

其中 是湍動粘度， ， 是經驗常數， 是湍動耗散率，

是湍動能，Gk是因均速梯度引起的湍動能的產生項， 是主流的時均應變率。

2.數值模型及網格劃分

以用于水池實驗的潛器模型為原型并按1：1利建立用于計算的模型. 模型總長度為1.025m 最大寬度為0.65m. 為了更好地保證計算域的對稱減小誤差本文采取矩形域，在進行潛器表面和計算域網格劃分時，由于潛器表面型線很復雜，在對網格相關參數設置時采取在近潛器區域設定較密的網格然后以一定膨脹系數外推的方式，同時采用結構化網格和非結構化網格混合劃分的方式，這樣一方面能夠合理地減少網格數目另一方面也能較準確地捕捉到近潛器區域的流動特性. 為此文中采用網格自適應技術在計算過程中讓求解器自動判斷并進行網格優化以此達到捕捉流場形狀的目的，從而提高數值計算的效率。生成的混合結構網格模型如下圖1所示；

3.計算結果和分析

3.1潛器直航計算

文中模擬了潛器模型在8個Fr數（Fr =0.1，0.2，……，0.8）下的粘性繞流場所受的總阻力，模擬結果與潛器模型的水池試驗結果相比較如圖2所示，數值模擬捕捉到的潛器周圍流體的速度云圖如圖3所示，潛器表面的壓力分布云圖如圖4所示.

由Fr數-阻力曲線可以看出文中計算所 得的阻力曲線和試驗方法所得曲線發展趨勢基本上一致，基本能較好地反映潛器在水中的運動情況且阻力曲線來看各個Fr 數下的阻力值與試驗結果相比均沒有太大的偏差相對誤差均在7%以下，故整個計算過程是穩定可信的。

（1）由速度云圖可以明顯看出，對于粘性流體繞流會在潛器的最前端點處產生邊界層，在邊界層的內部，速度會隨著距船體表面距離增大而增大。由于邊界層的作用，主流的流線不是像理想流體時繞潛器流動，在到達潛器尾部最后端點處形成駐點，而是被外推，流線上的點在潛器尾部處的速度不是零，這與實際情況是吻合的。

（2）由壓力分布云圖可以看出潛器前端的壓力最大，背部的壓力最小，首部的壓力明顯大于尾部的壓力這與潛器采用NACA翼型剖面是符合的。

3.2潛器斜航模擬計算

所謂的斜航模擬就是將潛器與其縱中剖面成一夾角， 給定水流速度， 當漂角為小量時有

且fluent設置唯一與直航不同是水平面斜航時多了一個縱向的速度， 垂直面斜航時多了一個垂向的速度。垂直面攻角α和水平面漂角β變化范圍都是從 ，間隔 ，不同垂向速度的來流，在Fr=0.2和Fr=0.4時所受橫向力Y與漂角α和縱向力X與攻角β的受力關系，通過數值計算所得的潛器斜航時所受橫向力與縱向力與試驗所測結果的相對誤差允許范圍內，說明數值 計算結果具有可信性。

4結論

1）Fluent模擬方法計算所得到的無論是總阻力阻力曲線還是 曲線與試驗方法所得曲線吻合的相當好，其誤差在允許的范圍內，故該計算方法具有較高的準確性可以用來計算分析碟形潛器的水動力性能。

2）運用Fluent模擬得出的潛器周圍的流場的速度云圖和潛器表面的壓力分布云圖與潛器的實際情況所吻合，具有一定的準確性，可以用來形象得描述潛器的水動力性能。

3）同樣可以看出隨著Fr 數的增加模型的數值計算結果與水池試驗結果之間均呈現漸大的偏差. 如何選擇更合理的邊界條件湍流模型（或其它封閉控制方程組的表達式）和數值算法等仍須作深入探討，有待在后續的工作中加以改進.

參考文獻

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