潛艇X舵的布局優化

焦玉超，肖昌潤

(海軍工程大學 艦船工程系， 武漢　430033)

尾舵對于潛艇的性能具有很大的影響，因此，專門對尾舵進行研究很有必要。尾舵有不同形式，目前應用最為廣泛的是“十”字型尾舵，除此之外還有其他舵型，比如：“米”字型、H型、T型、“木”字型及X型等[1]。近年來，很多國家注意到了X舵的諸多優點，對其進行了研究與應用實踐，雖然X舵相比于“十”字舵應用并不是十分廣泛，但是具有廣闊的應用前景。X舵與“十”字舵各有千秋，很難說到底哪種舵型更具有優勢。目前普遍認為X舵就是四個尾翼呈X形正交分布，舵軸中心線與艇的縱中對稱面成±45°夾角的操縱面[2]。但是對于其他角度的X形尾舵的了解卻不夠，為了更加深入了解X舵的分開角度對潛艇性能的影響，對帶有20°、30°、45°、60°4種X形尾舵的潛艇阻力進行數值模擬，本文用到的計算方法和得出的結論對推動X舵的發展大大有利。

1　計算模型

計算模型為帶指揮臺圍殼的潛艇模型。由于Solidworks建模軟件建立三維模型具有突出的優勢，選擇用Solidworks軟件建立潛艇的幾何模型。為方便模型的建立，把坐標原點選在潛艇模型的首端。由于潛艇附體較多，其中包括尾翼、指揮臺圍殼以及指揮臺圍殼舵[3]，采用主艇體與附體分開建模的方式，最后應用Solidworks建模軟件中的裝配體功能實現主艇體與每個附體的結合。建立主艇體時，要注意主艇體外形曲線所取點的數量，保證主艇體外形的曲率要求，在平行中體部分可以適當減少取點的數量，在艇首與艇尾曲率變化大的地方加密取點，保證艇體外形的準確。建立各個附體時，更要注意保證點的密集度，雖然附體的幾何尺寸相對于主艇體來說較小，但是所起的作用很大，本文主要研究附體對潛艇水動力性能的影響，因此保證附體的線型準確十分必要[4]。附體與主艇體的幾何模型建好后，進行裝配，裝配要保證每個附體裝配位置準確。定義X舵的四個舵分別定義為1′，2′，3′，4′號舵，示意圖如圖1。

保持尾舵沿艇體縱向位置不變，改變尾舵和主艇體中縱剖面的夾角[5]，分別取20°、30°、45°、60°。不同角度的X舵結構，示意如圖2、圖3、圖4和圖5。

圖2　20°X舵圖3　30°X舵

圖4　45°X舵圖5　60°X舵

20°X舵、30°X舵、45°X舵、60°X舵潛艇幾何模型尾部細節如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

2　計算域設置、邊界條件設定及網格劃分

湍流模型選擇標準k-ε湍流模型；計算域設置為長方體區域[6]：速度入口在艇首向前1倍艇長，壓力出口在艇尾向后2倍艇長，其余四個邊界都取距離艇體中心線1倍艇長，如圖10所示。

設定進口處為速度入口邊界條件，來流速度取U0=1.15、1.65、2.57、4.63、6.68和10.28m/s，出口處為壓力出口邊界條件，設置為0 Pa，除速度入口和壓力出口這兩個邊界外，其余四個邊界為壁面邊界條件，且滿足任意滑移條件，艇體表面為壁面無滑移邊界條件[7]。劃分網格時，保證主艇體與各附體的連接處網格密度足夠，在此位置處適當加密。由于本節重點研究X舵的布置方式對潛艇水動力的影響[8]，因此需要對操縱面網格進行適當加密，保證模型的網格分布較為均勻，網格數量在350萬左右[9]。不同X舵角度的潛艇模型網格以及尾舵網格如圖11～圖18所示。

3　計算結果與分析

通過對不同尾舵形式的潛艇在U0=1.15、1.65、2.57、4.63、6.68和10.28 m/s下進行縱向直航的數值模擬，得到的摩擦阻力曲線、粘壓阻力曲線和總阻力曲線如圖19～圖21所示。

根據圖19～圖21可以得出如下結論：

(1)4種X形尾舵潛艇的摩擦阻力幾乎完全相同，說明雖然尾舵形式改變了，但是由于濕表面積相同，因此摩擦阻力也相同；

(2)4種X形尾舵潛艇的粘壓阻力出現差異，在相同速度下，20°X舵潛艇粘壓阻力最大，45°X舵潛艇粘壓阻力最小，30°和60°X舵潛艇粘壓阻力近似相等；

(3)對于總阻力，在相同速度下，45°X舵潛艇總阻力最小。

4種X形尾舵潛艇在速度為6.68 m/s時的尾部流場分布云圖如圖22～圖25。

4種X形尾舵潛艇在速度為6.68 m/s時的艇體壓力分布云圖如圖26～圖29。

由流場分布可以看出，45°X舵潛艇的尾流場分布比較均勻，這也是由于45°X舵潛艇的粘壓阻力較小，同時還有利于提高螺旋槳的推進效率[10]。

通過監測艇體表面兩條曲線的壓力，分析不同角度的X舵對潛艇表面壓力場的影響[11]，其中位于潛艇右舷的105°和165°曲線(0°對應十字舵的上垂直翼，180°對應下垂直翼)的壓力分布如圖30和圖31所示。

根據四種不同角度X舵潛艇模型在航速為6.68 m/s時的壓力分布云圖和位于潛艇右舷的105°和165°曲線的壓力分布圖可知：X舵布置方式的改變對艇體表面壓力的影響主要體現在尾部，對尾部以外的壓力場基本沒有影響。其中45°X舵更有利于尾部壓力場均勻[12]，使潛艇表面的壓力可以較好地光順過渡，沒有大的壓力突變。綜合分析可知45°X舵潛艇的水動力性能更優良。

4　結論

通過對帶有20°、30°、45°、60°4種X形尾舵的潛艇阻力進行數值模擬，得出45°X舵潛艇總阻力最小，更有利于潛艇的快速性和改善潛艇尾部流場。

參考文獻：

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