螺旋槳及其運行對潛艇操縱性水動力影響的模型試驗研究

龐永杰，王慶云,2，李偉坡，王建

(1.哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001；2.昆明船舶設備集團有限公司,云南 昆明 650217)

螺旋槳及其運行對潛艇操縱性水動力影響的模型試驗研究

龐永杰1，王慶云1,2，李偉坡1，王建1

(1.哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150001；2.昆明船舶設備集團有限公司,云南 昆明 650217)

潛艇模型；螺旋槳；水動力系數；操縱性試驗

在潛艇初步設計階段，其操縱性水動力系數的準確獲取對操縱性的預報起關鍵性的作用。由于艇后螺旋槳的抽吸作用改變了艇體尾部流場分布和邊界層厚度，從而導致潛艇水動力性能產生變化。姚震球等[1]基于滑移網格對帶槳與不帶槳艇體阻力與艇尾流場進行了數值模擬，PAN Yucun等[2]對無槳SUBOFF潛艇操縱性水動力系數進行了數值模擬，Yingsan Wei等[3]對帶槳潛艇尾部流體噪聲進行了模擬與分析，A.G.L. Holloway等[4]對不同外型潛艇主艇體完成了回轉試驗的數值模擬，ZHANG Nan等[5]對近水面潛艇直航槳艇干擾完成了數值模擬，A. Saeidinezhad等[6]對無槳潛艇完成了拘束模型攻角試驗，分析了周圍流場的變化機理，CAO Liushuai等[7]運用不同湍流模型對SUBOFF無槳潛艇回轉運動完成了數值模擬，S. Zaghi等[8]基于重疊網格對無槳潛艇操縱面完成了數值模擬，獲取了舵角水動力系數，WU Xiaocui等[9]對SUBOFF無槳潛艇直航、回轉等工況完成了數值模擬，結果與實驗值符合較好。可見諸多研究者均針對潛艇不帶槳情況獲取操縱性水動力系數，從而進行潛艇操縱性能的預報，但是潛艇實際航行則是在帶槳情況下完成的，故無槳理想化的模型水動力系數的獲取將導致操縱性預報有所失真，從而影響潛艇的操縱性能。

故此，以某全附體潛艇縮比模型為研究對象，在循環水槽中利用 VPMM 完成帶槳和不帶槳潛艇模型斜航、純升沉、純俯仰、純橫蕩、純搖艏及舵角試驗，獲取該潛艇模型的操縱性線性水動力系數，并對比分析了變化的趨勢及原因。

1 試驗模型、設備及目的

1.1 模型及循環水槽

以某全附體潛艇為研究對象，該潛艇模型包括主艇體、圍殼、圍殼舵、十字型尾舵翼，主尺度及主要參數見表1。在舵翼前加裝輔助翼以保證水流光順的通過舵翼表面，有效提高舵效。圍殼舵、十字型尾舵翼斷面采用NACA0012翼型，模型外殼采用玻璃鋼材料制作；按照縮比模型試驗標準，完成槳模的繪制，并采用不銹鋼加工制作，基本參數見表2。

表1 潛艇模型基本參數

表2 螺旋槳基本參數

試驗在哈爾濱工程大學水下機器人技術重點實驗室循環水槽中完成，圖1為試驗中安裝完畢的帶槳全附體潛艇模型。循環水槽穩流工作段尺寸：長7 m，寬1.7 m，水深1.5 m，即水槽橫截面積SA=1.7×1.5 m2；最大流速2 m/s，常用工作流速為0.3～1.8 m/s；流場不均勻度小于2%；流速不穩定性小于2%；水平流向偏差小于±0.5°；湍流度0.7%～2.0%；自由液面駐波高度小于7 mm；從阻塞效應來看，要求模型橫截面積與水槽工作段濕截面積SA之比小于3%，就本文而言，如果以主艇體橫截面積算，S/SA=2.86%，滿足試驗要求。

圖1 帶槳潛艇模型安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of submarine model with propeller

1.2 模型配置與安裝及試驗流速選擇

模型加工以后，為完成操舵試驗，需在模型艏部和艉部加裝水密舵機及驅動螺旋槳旋轉的水密電機，然后進行模型配置和浮態調整。按照《操縱性水動力系數試驗指導書》，為滿足模型在水中處于正浮狀態，同時減小非定常試驗過程中內流對測力的影響，在模型空腔內配備一定量與水密度相當的物質，并計算得到水動力模型的質量、轉動慣量、重心位置，具體數值見表1；以浮心為坐標原點，測力天平安裝要求測力中心點和浮心的縱向位置誤差應該不大于1 mm，以減小試驗測力誤差。

流速選定：當水動力模型Re超過臨界雷諾數Recr，模型的尺度效應可以忽略。物體繞流運動中，邊界層內流動狀態轉捩及流動分離不僅取決于來流Re數，而且依賴于來流湍流度、壁面粗糙度以及外部主流壓力梯度，因此試驗段來流湍流度ε對邊界層、阻力和升力都有很大影響，應盡可能降低ε值，然而水槽的固有屬性使得水流湍流度ε一般為1.2%～2.0%[10]，其中湍流度ε對平板Recr影響的試驗結果表明：當ε=1.2%～2.0%時，Recr≈(3.5～5.0)×105。根據《操縱性水動力系數試驗指導書》意見，試驗縮比模型長度為3.08 m,理論上在上述工作流速段試驗中Re數均超過Recr，但盡可能使Re較大，減小尺度效應，同時避免流速過高，水流不穩定，自由表面興波較大，水中氣泡含量過高等對試驗的影響，選取試驗流速為1.2 m/s。對應Re約為3.6×106，滿足試驗要求。

1.3 試驗目的

為研究螺旋槳及其運行對潛艇操縱性水動力系數的影響，對無槳與帶槳全附體潛艇模型進行拘束模型試驗，比較兩種模型下獲取的水動力系數的變化情況，為后期潛艇潛器操縱性預報仿真和CFD數值模擬奠定一定的基礎和提供參考依據。

2 基本理論與拘束模型試驗

2.1 潛艇操縱運動線性方程

潛艇在水下的運動可分為水平面運動和垂直面運動，在螺旋槳推動作用下，通過對潛艇的操縱面控制，以達到潛艇水下空間運動。采用根據國際拖曳水池會議(ITTC)和造船與輪機工程學會(SNAME)術語公報的體系推薦的潛艇坐標系如圖2所示，慣性坐標系為E-ξηζ，運動坐標系為o-xyz。

不考慮橫滾和縱蕩，在線性假定下，可得潛艇在水平面和垂直面的四自由度操縱運動方程[11]：

水平面運動：

(1)

垂直面運動：

(2)

圖2 坐標系示意圖Fig.2 The diagram of coordinate

由上述操縱運動分析，試驗內容即可分為垂直面和水平面試驗，垂直面試驗包括沖角、純升沉、純俯仰、升降舵、圍殼舵試驗，為避免測力天平支桿的影響，模型以圍殼指向水槽槽底的方式安裝；水平面試驗包括漂角、純橫蕩、純搖艏、方向舵試驗[12]。

2.2 拘束模型定常試驗

2.2.1 斜航試驗

圖3 垂向力Z、俯仰力矩M隨垂向速度w的變化Fig.3 Vertical force Z,pitch moment M changes with vertical speed w

2.2.2 舵角試驗

表3 潛艇模型水動力系數

2.3 拘束模型簡諧運動試驗

簡諧運動試驗分為：純升沉、純俯仰、純橫蕩、純搖艏試驗。即驅動模型在來流中做純升沉或純俯仰運動，或將模型滾轉90°安裝做純橫蕩或純搖艏運動。純俯仰和純搖艏運動時要求模型迎流方向與中心處軌跡曲線相切，來流速度U，中心處橫蕩速度v=Utanθ≈Uθ0sinωt，θ0為給定模型運動初始角位移，當θ0較小時，一階近似為簡諧運動。此時后桿對前桿的滯后角ε滿足：

(3)

通過運動分解可把測得的拘束力(力矩)寫為方程(4)所示形式，用下標in表示慣性力(同相分量)，用下標out表示阻尼力(正交分量)，其余為常量：

(4)

圖4 垂向力Z、俯仰力矩M隨升降舵舵角δs變化Fig.4 Vertical force Z、pitching moment M changes with elevator δs

2.3.1 純升沉和純橫蕩試驗

垂直面純升沉運動線性方程：

(5)

模型純升沉運動參數：

(6)

測力天平與數據采集系統將拘束力測出并將其分解，從而求得純升沉水動力系數：

(7)

同理按上述方式試驗，可以得到純橫蕩水動力系數：

(8)

試驗得到對應阻尼力、慣性力隨速度、加速度的變化趨勢，經過線性擬合并結合表1中水動力模型參數代入式(7)、(8)可得到相應水動力系數，無因次化處理得到的水動力系數匯總于表3中。以純升沉為例，測試結果如圖5、6所示。

圖5 純升沉慣性力Zin-aω2試驗結果Fig.5 Test results of pure heave Zin-aω2

圖6 純升沉慣性力矩Min-aω2試驗結果Fig.6 Test results of pure heave Min-aω2

2.3.2 純俯仰和純搖艏試驗

根據垂直面純俯仰運動線性方程為

(9)

由于俯仰角速度的平方為二階小量，忽略-mzGq2項。模型純俯仰運動參數為

(10)

測力天平與數據采集系統將拘束力測出并將其分解，從而求得純俯仰水動力系數：

(11)

同理按上述方式試驗，可以得到純搖艏水動力系數：

(12)

試驗得到對應阻尼力、慣性力隨角速度、角加速度的變化趨勢，經過線性擬合并結合表1中水動力模型參數代入式(11)、(12)可得到相應水動力系數，無因次化處理得到的水動力系數匯總于表3中。以純俯仰為例，測試結果如圖7～10所示。

圖7 純俯仰阻尼力Zout-θ0ω試驗結果Fig.7 Test results of pure pitch Zout-θ0ω

圖8 純俯仰慣性阻尼力Zin-θω2試驗結果Fig.8 Test results of pure pitch Zin-θω2

圖9 純俯仰阻尼力矩Mout-θ0ω試驗結果Fig.9 Test results of pure pitch Mout-θ0ω

圖10 純俯仰慣性力矩Min-θω2試驗結果Fig.10 Test results of pure pitch Min-θω2

3 試驗結果與分析

按照上述試驗，所有結果匯總于表3，一共測試得到的22個線性類水動力系數中，對比無槳與帶槳值，不難發現有14個水動力系數呈減小趨勢，8個呈增加趨勢。

3.1 斜航

其次由于循環水槽本身尺寸的限制，導致斜航試驗時，螺旋槳尾流與循環水槽壁面和自由液面的干擾勢必給試驗測力帶來誤差，且沖角試驗的影響可能大于漂角試驗。因為本試驗是在主艇體截面積滿足S/SA=2.86%<3%條件下進行的，而如果考慮圍殼等其他附體的影響，可有艇體最大橫截面積SM/SA=3.9%>3%，可見圍殼的存在產生了一定的阻塞效應，且阻塞效應主要發生在平行于圍殼的平面內。在沖角試驗時，圍殼指向槽底，螺旋槳尾流場將與槽底或自由面耦合干擾加劇艇體周圍流場的變化，而漂角試驗時，模型繞軸x旋轉90°安裝，測力方向恰好正交于圍殼，故影響減小。

3.2 舵角試驗

3.3 簡諧運動試驗

4 結論

通過在循環水槽中，利用VPMM運動機構對無槳與帶槳潛艇模型完成拘束模型試驗，獲取該潛艇模型的四自由度線性水動力系數，得到以下結論：

2)其余水動力系數變化基本保持在10%以內；

3)由于水槽尺寸的限制，試驗過程中螺旋槳尾流場與水槽壁面和自由面的干擾，未免給水動力系數的測量帶來影響，有待進一步改善；

4)此研究只是定性分析了水動力系數的變化原因，故也需CFD數值模擬相互對比論證并進行流場變化物理機理的詳細分析與討論，進一步研究尾部螺旋槳的運行對操縱性水動力系數的影響。

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Model test study of influence of propeller and its rotation on hydrodynamics of submarine maneuverability

PANG Yongjie1, WANG Qingyun1,2, LI Weipo1,WANG Jian1

(1.Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China；2.Kunming Shipbuilding Equipment Co., Ltd., Kunming 650217,China)

submarine model; propeller; hydrodynamic coefficient; maneuverability tests

2015-12-16.

時間：2016-12-21.

國家自然科學基金項目(2012T50331).

龐永杰(1955-), 男, 教授,博士生導師； 王慶云(1989-), 男, 碩士研究生.

王慶云, E-mail：wangqingyun@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201512054

U661

A

1006-7043(2017)01-0109-06

龐永杰，王慶云，李偉坡，等. 螺旋槳及其運行對潛艇操縱性水動力影響的模型試驗研究[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017, 38(1): 110-115. PANG Yongjie, WANG Qingyun, LI Weipo，et al. Model test study of influence of propeller and its rotation on hydrodynamics of submarine maneuverability[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(1): 110-115.

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