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潜艇水动力计算及型线生成研究

林小平  
【摘要】:潜艇是一种带附加翼和突出体的复杂三维几何体,其指挥台、尾翼附近的流动,以及艇身周围的绕流场都是相当典型的三维主/附体流动现象。这类流动不仅具有复杂的流动分离结构,而且常常不稳定,也是噪声发生的主要区域。因此,潜艇水动力的计算,以及在合理确定主附体相对位置及连接形式基础上的水动力性能优化便显得格外重要。实现该目的以前主要依靠试验,但由于试验周期长、成本高,因而,急需一种更为经济的途径来加快研究进程。 目前,CFD软件以其模拟复杂流动现象的强大功能、人机对话的界面操作以及直观清晰的流场显示得到了人们的广泛关注,其发展在发达国家得到了工业界和政府部门的大力支持。借助CFD软件这一开发平台,研究人员可以避免编程方面繁琐沉重的重复劳动,从而加快工作进度,提高研究工作的质量和水平。 本文即利用商业软件FLUENT对潜艇绕流的粘性流场进行数值模拟。首先针对一模型艇和带指挥台的水滴型潜艇采用前处理软件GAMBIT建模、FLUENT求解器进行计算,分别得出它们在不同漂角下运动的升沉力系数和直航时表面压力分布,并与试验及其它理论计算结果进行对照,证明了FLUENT软件解决此类问题的有效性。接着,为了探讨CFD在潜艇操纵运动水动力预报方面的应用能力和预报精度,针对作操纵运动的主体和带附体的全艇体,在一定攻角和漂角下的水动力进行计算,取得了工程上较为满意、实用的精度,为解决潜艇操纵运动水动力预报的困难做出了有益的探索。为考察潜艇附体与主体的相对位置对水动力的影响,分别建模计算了指挥台围壳相对于主艇体处于六种不同位置情况下的水动力及艇尾浆盘面处轴向速度等值线分布,逐一比较后得出一种水动力性能相对较佳的指挥台围壳相对位置。由于尾部螺旋桨是潜艇噪声的主要来源之一,且螺旋桨所处区域的流场均匀程度与其产生的噪音直接相关。因此,对潜艇尾部流场的研究就显得相当重要。本文从实际情况出发,对潜艇尾翼(包括尾水平翼和方向舵)与主艇体的不同连接形式对尾部流场的影响展开研究,通过计算比较各种连接形式下螺旋桨盘面处的流场分布,得出了一种较佳的连接形式。 诚然,附体与主体的相对位置及连接形式对潜艇水动力有着重要影响,但主附体的合理配合,对于优化潜艇阻力性能、减振降噪的作用同样不可忽视。本文根据公开发表的一些潜艇资料,在建立潜艇型值数据库的基础上,应用非均匀有理B样条(Non-UniformRationalB-Spline,NURBS)方法开发了潜艇(主体)型线生成的计算机程序,可以通过改变型值,方便地生成不同形状的艇体,为研究潜艇主附体的合理配合形式,以及开发应用NURBS方法计算优化潜艇水动力的程序奠定了良好的基础。


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