潛艇艉舵角度連續變化流場模擬計算方法研究

王麗麗，全士能，蔡宇峰，桑騰蛟，李新穎

（1.中國特種飛行器研究所，湖北荊門 448035；2.高速水動力航空科學技術重點實驗室，湖北荊門 448035）

潛艇在水下航行時的阻力，對潛艇的快速性和續航力有著重要影響，是評價潛艇綜合航行性能的一項重要技術指標［1-4］。潛艇周圍的流場對潛艇的水動力性能產生直接的影響［5-6］。在潛艇概念設計階段，利用數值計算方法精確預報潛艇流場特性，為水動性能的最佳潛艇設計方案提供評價依據［7-8］。

潛艇自航時，圍殼舵以及艉舵不同的角度對流場會產生不同的影響。基于潛艇艉舵的多個角度變化，研究不同角度的水動性能［9-10］。本研究基于X型艉舵變化工況多的情況，研究了艉舵角度連續變化的流場計算方法。

1 網格生成

1.1 研究對象

本研究對象是帶有十字形艉舵的潛水艇，如圖1所示。艉舵中的1舵與4舵沿著各自的轉軸轉動，艉舵在旋轉過程中，舵的后緣向上為正。計算工況如表1所示，1舵與4舵同時聯動，總共有36個工況。基于艉舵的多角度變換，本文利用STAR-CCM+軟件，實現對9個角度流場的連續模擬。

圖1 研究對象Fig.1 Research object

表1 計算工況Tab.1 Calculation condition

在CATIA中，1舵、4舵與潛艇不動體（簡稱潛艇母體）之間需要有一定的距離，本次模型保留的是5 mm，如圖2所示。

圖2 舵與潛艇母體示意圖Fig.2 Rudder and submarine matrix

將1舵與4舵沿著各自的轉軸轉到30°的位置。在CATIA中分別輸出3個igs模型，分別為潛艇母體、轉了30°的1舵、轉了30°的4舵，模型分別命名為MuTi.igs、1duo.igs、4duo.igs。

將3個igs模型，分3次導入到STAR-CCM+軟件中的part中。

1.2 創建虛擬水池

在STAR-CCM+軟件中，創建3個域，分別為計算域、1舵的域、4舵的域，并命名為back、over-1-duo、over-4-duo。

此時需注意over-1-duo、over-4-duo必須分別包含1舵、4舵的全部，并且兩個小域與兩個舵之間的最小距離應該包含5層網格，否則會出現如圖3所示的錯誤。

圖3 域太小的錯誤提示Fig.3 Field too small error

back為計算域，考慮到只有右邊兩個舵轉動，此次計算中，采用潛艇整個模型進行計算。

此時over-1-duo、over-4-duo沒有公共空間，并且不包含MuTi模型，如圖4所示。分別將3個模型與3個對應的域進行布爾運算，并命名為virtual、overset-1、overset-4，然后分別分配到Region中。

圖4 域局部示意圖Fig.4 Local schematic diagram of domain

1.3 邊界條件

虛擬水池Virtual有2種邊界類型：（1）出口out為壓力出口，設為Pressure Outlet；（2）計算域其余5個面為速度入口，設為Velocity Inlet。

邊界條件的設置關鍵是，overset-1、overset-4的邊界全部采用重疊網格類型。

隨1舵一起旋轉的小域overset-1只有1種邊界類型，為重疊網格類型，設為overset mesh。

隨4舵一起旋轉的小域overset-4只有1種邊界類型，為重疊網格類型，設為overset mesh。

在初始條件Initial Conditions中主要對Velocity進行設置。將Velocity-＞Value中X方向速度設置為-0.51 m/s，其余參數為0。

1.4 網格交界面

Virtual分別與overset-1、overset-4創建重疊網格交界面，分別命名為overset mesh1、overset mesh4。重疊網格采用線性交換的方式進行數據交換。

在overset mesh1、overset mesh4的屬性窗口中選擇3個屬性，分別為close proximity、alternate hole cutting、overlap volume calculation。這三個屬性若不選擇，初始化時會出現圖5所示的錯誤。

圖5 重疊網格錯誤提示Fig.5 Overlapped grid error prompt

1.5 網格劃分

在Geommetry-＞Operations中分別建立3個Automated Mesh對3個域進行網格劃分。網格類型選擇Surface Remesher、Trimmed Cell Mesher、Prism Layer Mesher。這種網絡按照常規重疊網格尺寸劃分即可。

2 物理設置

2.1 局部坐標系

在計算過程中，潛艇母體靜止，1舵與4舵沿著各自的轉軸轉動，此時需要建立1舵與4舵的局部坐標系，分別命名為zhou-1-duo、zhou-4-duo。

在Tools-＞Coordinate Systems-＞Laboratory-＞Local Coordinate Systems中分別建立1舵與4舵的局部坐標系。以1舵為例介紹局部坐標系建立過程，如圖6所示，分別在旋轉軸上找到兩個點，O點在母體與旋轉體之間，A點在旋轉軸的外側。兩個點的坐標如表2所示。

圖6 1舵三維圖Fig.6 3D drawing of 1 rudder

表2 關鍵點坐標Tab.2 Key point coordinates

在Tools-＞Coordinate Systems-＞Laboratory-＞Local Coordinate Systems中右擊選擇New-＞Cartesian，在彈出的窗口中輸入原點及X軸，如圖7所示，其中XAxis Direction輸入的是矢量OA的值。新建立的局部坐標系命名為1#-system。

圖7 局部坐標系Fig.7 Local coordinate system

2.2 角速度變化表

1舵與4舵需要監測的角度分別為-30°、-18°、-9°、-3°、0°、3°、9°、18°、30°等9個角度，舵的后緣向上為正。建立如表3所示的角速度變化表12#3.csv。每個角度穩定時間是3 s，角度變化時間是1 s。在Tools-＞Tables中讀取12#3.csv。右擊Tools-＞Tables選擇New Table-＞File Table，找到12#3.csv文檔，打開即可。

表3 角速度變化表Tab.3 Angular velocity change table

舵的角度及計算結果需要取值的時間表如表4所示。

表4 取值時間表Tab.4 Value schedule

2.3 旋轉屬性設置

分別設置1舵與4舵的旋轉屬性，并命名為Rotation-1、Rotation-4。

右 擊Tools-＞Motions，選 擇New-＞Rotation。在Rotation-＞Properties屬性窗口中設置如圖8所示的屬性。其中Axis Direction中選擇X軸，Axis Origin選擇原點，Coordinate System選擇新建立的局部坐標系，Rotation Rate是基于CCM編寫的程序代碼，如圖9所示。

圖8 旋轉屬性Fig.8 Rotation properties

圖9 程序代碼Fig.9 Program code

2.4 局部旋轉設置

對1舵、4舵的小域overset-1、overset-4分別設置局 部 旋 轉。在Regions-＞overset-1-＞Physics Values-＞Motion Specification的屬性中motion選擇Rotation-1。同理設置overset-4。

3 可視化和數據分析

3.1 水動性能監測曲線

創建阻力監測報告。右擊Report-＞New Report-＞Force；將新創建的Force1重命名為Fx；將Properties中的Direction設為［1，0，0］，Force Option選擇pressure+shear，Parts選擇3個模型，分別為1舵、4舵、潛艇母體，如圖10所示。

圖10 阻力的三個模型Fig.10 Three models of resistance

升力Properties中的Direction設為［0，1，0］，力矩的轉軸為Y軸，作用點為原點O。

3.2 觀察計算結果

圖11顯示了隨時間變化的阻力、升力以及力矩。監測值的穩定時間段是3 s，監測值的變化時間是1 s，監測曲線中有9段穩定區間，35s后角度一直在30°，監測值一直穩定，沒有再出現波動值。

圖11 計算結果監測曲線圖Fig.11 Monitor Plot of Total Drag

4 結 論

本研究基于STAR-CCM+軟件對潛艇艉舵角度連續變化的計算方法進行了研究，得到以下結論：

（1）本算法可以用來計算潛艇艉舵角度連續變化的流場，為潛艇艉舵不同角度的水動性能研究提供了高效的計算方法。

（2）本算法適用于研究圍殼舵不同角度的水動性能。

（3）本算法適用于4個艉舵單個或多個同時旋轉的水動性能研究，為工程應用提供了簡單高效、操作方便的計算方法，適用于推廣到工程應用中。