潜艇近水面航行兴波特征研究

潜艇作为一种水下航行器,其近水面运动时产生的绕流场远比无界直航运动时要复杂得多,其近水面航行时对自由液面的影响不容忽视。本文采用粘性流体力学计算方法,对SUBOFF潜艇近水面航行时的粘性绕流场进行模拟,对自由液面的兴波进行计算,并对波形特点进行深入分析。通过本文的研究,得到潜艇近水面航行时自由液面兴波的特点和相关规律。     

潜艇近水面航行自由液面干扰效应数值研究

针对潜艇近水面航行艇体水动力呈现显著变化的问题,本文在验证数值计算方法可行性的基础上,开展不同潜深及航速下潜艇粘性流场的数值模拟,获取艇体阻力、垂向力及纵倾力矩随水深及航速的变化规律。模拟结果表明:潜深是影响潜艇近水面与深水状态水动力性能差异的决定性因素,当潜深与艇体直径的比值H/D≤1.3时,近水面效应显著;而当H/D≥2.9时,可认为潜艇水动力性能与深水状态无显著差异;近自由液面条件下(H/D≤1.3),潜艇所受阻力及垂向力系数随航速的增大均呈现明显波动现象,这主要是由于自由面的兴波干扰使得艇体表面压力变化所引起。     

电磁力控制潜艇近水面兴波绕流流场的数值研究

文章基于VOF方法,对Froude数(Fr)等于0.2时近水面不同潜深的潜艇绕流流场结构进行了仿真,主要研究了不同潜深的兴波特性及水下绕流艇身周围的流场结构特点。结果表明,接近水面时,艇身周围的流场结构受到兴波的影响而变得更加复杂,潜艇阻力和各方向力的扰动有明显增加。使用流向电磁力对潜艇头部和指挥台进行控制,加力后潜艇绕流流场结构发生改变,随着电磁力作用系数的增大,阻力显著下降,同时各方向力的扰动被抑制,整体稳定性有所提高。最后对头部和指挥台进行独立控制,对比结果表明头部控制在减阻减振方面的效果要好于指挥台控制。     

潜艇水面与水下粘性绕流数值模拟

本文采用求解RANS方程的方法结合四种湍流模型,对于带有不同附体的SUBOFF模型尾流场进行了数值模拟。数值预报的桨盘面处不同半径上的轴向无量纲速度与试验结果进行了对比,结果表明湍流模型在数值模拟中起到重要作用。潜艇水面航行性能十分重要,因而对于潜艇自由液面绕流的数值模拟备受关注。本文采用VOF方法对于两条潜艇模型在不同傅汝德数下的自由液面绕流进行了数值模拟。计算得到的阻力、波形与试验结果吻合较好。文中也探讨了潜艇自由液面绕流的一般特性。并验证了用CFD手段预报潜艇粘性流场的能力。     

近水面波浪力作用下潜体的非线性运动响应

通过对潜体近水面航行波浪力作用下非线性运动响应进行建模和计算，揭示了由于二阶波浪力民低速时潜艇操纵面舵力之不足，潜体的定深控制可能难于实现，产生逐渐上浮与露出波面的非线性现象。计算结果与自由自航模的试验结果相当吻合。     

波浪中近水面航行时潜艇波频运动响应的理论预报与验证

用Frank源分布－紧密拟合法对一带鳍潜艇的剖面流体动力进行数值计算，然后通过STF方法妥该潜艇波浪中近水面航行时的波频运动响应。计算结果与中国船舶科学研究国心（CSSRC）耐波性水池首次进行的潜艇自航模近水面耐波性试验的结果进行了比较，相符程度令人满意。证实了本文方法和程序对潜艇近水面运动的波频响应进行预报可获满意的结果，具有实用性。也表明了在耐波性水池中对水客性良好的潜艇自航模，采用自动操舵系统控制浸深和航向，进行近水面耐波性试验是成功的。     

水面舰船粘性流场和流噪声的数值计算

[目的]水面舰船周围因非定常流动引起的流噪声问题是舰船声隐身设计技术的难点,自由液面的存在使之不同于潜艇水动力噪声计算。为解决这一问题,[方法]采用流体体积(VOF)法结合SST k-ω湍流模型计算船体外非定常流场,赋予自由液面空气声阻抗来模拟吸声边界。将船体表面脉动压力作为流噪声声源,应用声学有限元法计算水面舰船的水下辐射噪声。[结果]计算所得结果与实验值吻合良好,表明噪声源主要集中在船艏兴波处。[结论]所得结果表明所用计算方法可以较准确地模拟水面舰船的流场与声场,对水面舰船声隐身设计具有参考价值。     

基于VOF方法的细线列阵稳定器近水面阻力计算

应用流体体积法（Volume of Fluid,VOF）模型跟踪稳定器近水面拖动时的自由液面的变化,利用计算流体动力学软件FLUENT对线列阵稳定器近水面的阻力性能进行数值模拟,分析研究了近水面兴波对其阻力性能的影响。分别计算了在不同水深的静水和有波浪载荷工况下近水面拖动时不同种类的线列阵稳定器的阻力大小,并将数值模拟的结果与水池实验结果进行对比。结果表明,稳定器在近水面无波和有波情况下的阻力大小均比深水域静水的阻力要大,而且在有波情况与相对浸深为0.3时的阻力性能基本相等。     

基于多块结构网格的滑行艇巡航时流场研究

滑行艇是一种依靠动升力高速航行的船体,其流场复杂。为了捕捉滑行艇航行的流场特征,本文根据滑行艇的流场梯度变化建立合适的结构网格,采用RANS结合VOF方法对滑行艇不同航速的运动进行数值模拟,将不同体积傅汝德数下的滑行艇阻力的计算值与理论值和试验值进行对比,验证了数值方法的可靠性。详细分析了滑行艇航行的流场,包括水面兴波、方尾虚长度以及侧向喷溅现象。最后根据滑行艇的流场完整性,设计了外挂对转桨,并给出了自航滑行艇的流场特性。     

三体船舶阻力及航态预报方法

针对三体船型的自身特点,基于势流理论,在Dawson方法的基础上对数值处理进行改进,并运用于三体船舶的阻力预报。通过近水面网格的快速划分与迭代计算,实现对航行姿态的预报。根据计算所得的船侧兴波,对不同航行姿态下的湿表面积进行计算,提高总阻力预报的精度。以三体Wigley船型为例,将理论计算结果和试验值及商业软件参考值进行对比。证明了理论预报方法的可行性与有效性,改进后的数值方法结果准确,可很好地避免自由面的震荡。     

基于CFD的潜艇阻力及流场数值计算

运用雷诺平均N-S方程,使用CFD前处理软件ICEM CFD划分流场网格,采用RNG k-ε湍流模型,实现了对裸潜体、带指挥台围壳艇体、带十字尾翼艇体、全附体潜艇4种模型的阻力及粘性流场的数值模拟。通过数值模拟,得到了潜艇表面压力分布情况和附体附近流场的一些特性,为进一步优化潜艇的艇型和分析潜艇的流噪声打下了基础。而阻力的对比在一定程度上验证了数值模拟的可靠性。     

近自由面水下爆炸冲击波切断效应研究

近自由面水下爆炸形成的冲击波到达自由面时会反射稀疏波,并伴随着水面的上升、破碎和飞溅等复杂物理现象。文章基于无网格SPH方法建立了近自由面水下爆炸数值模型,开发了计算程序,模拟了冲击波和自由面反射的稀疏波的相互作用过程,分析了切断现象的特性、产生机理以及对冲击波参数的影响。研究发现,爆心正上方且距自由面较近处,稀疏波作用最强;近自由面爆炸冲击波冲量可衰减为无限水域爆炸的1/3左右。文中的研究旨在探索冲击波在自由面处的传播规律,并为近自由面水下爆炸载荷的确定提供参考。     

均匀流中潜艇水下运动表面尾迹的数值模拟

本文通过基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法对潜艇在均匀流中水下运动的表面尾迹特征进行了探索性研究,较好地解决了用粘性流方法来模拟远场波浪中的数值耗散问题,数值计算得到的潜艇运动尾迹特征与诸多文献和理论分析结果基本一致.本文均匀流中的数值模拟将成为潜艇在分层流运动数值模拟的基础.     

潜艇应急上浮稳性研究

通过对应急上浮运动及高压空气吹除主压载水舱规律的简化,给出了潜艇应急上浮运动方程.将上层建筑的背水量作为临时加载,推导出应急上浮稳性计算方法.将非定常势流理论用于应急上浮运动流场分析与水动力计算.考虑了非线性自由表面条件,在应急上浮运动中随时进行流场以及自由表面的运动计算,从而实现了应急上浮运动与流场的耦合求解.采用将艇体及自由表面划分成四边形单元的方法计算流场,用Adams方法计算自由表面运动和艇体上浮运动.文中给出了某潜艇应急上浮运动和稳性的算例,计算结果验证了方法的可靠性.     

绕船体粘性自由面流动的数值计算

考虑自由面的船舶粘性流动计算由于其复杂性和对计算机硬伯的较高要求，只是到了最近几年才得到较大发展，而在国内尚属起步阶段。本文使用VOF方法计算了绕Wigley船型的粘性自由面流动，流模式选择了SSTκ-ω模型。计算获得了船体上波形以及船波等值线图，同时考察了三个不同横截面上的流动状况。计算得到的阻力还和发表的试验结果作了对比，结果令人鼓舞。     

U型防波堤与波浪相互作用的数值模拟

半淹没式固定U型防波堤,通过在自由水面附近设置挡浪结构增加能量耗散而达到降低港内波浪的目的;为了减小U型防波堤波浪反射,在其左侧设置成可渗透型沉箱。本文基于Navier-Stokes方程,采用k-ε模型封闭雷诺方程,以spatially-averaged方程作为孔隙流的控制方程,用VOF方法跟踪自由表面,建立了波浪与建筑物相互作用的数学模型,采用该模型模拟了规则波入射时波浪与可渗透型U型防波堤的相互作用,针对不同尺寸U型防波堤,进一步讨论了U型防波堤对波浪传播中反射和透射的影响。     

绕船体自由面周围三维粘性流场的数值模拟

本文采用有限体积法通过求解不可压缩的雷诺平均(RANS)方程数值模拟了包括兴波的三维船体周围的粘性流场,湍流模式使用了子网格尺度模式(SGS)和Baldwin-Lomax模式相结合的混合模式.对于自由表面的处理,采用了任意拉格朗日-欧拉方法,网格为不仅与物体表面贴体,而且与自由表面贴体的动网格,即随着自由表面的变化要不断地重新划分网格.虽然此方法需要很长的计算时间,但能较好地描述船体的兴波情况.本文计算了系列60船模在Fn=0.316,Re=1.9×106时带自由面的粘性流场,计算结果与试验结果吻合较好.，An finite - volume method solving of incompressible RANS Equations is developed for the numeri-cal simulation of three - dimensional viscous flow with free - surface about a ship. A hybrid turbulence mod-el by combining the sub - grid scale (SGS) model and the Baldwin- Lomax model is used in this pa-per. The arbitrary - Lagrange - Euler formulation is devised for the treatment of free surface boundary condi-tion. The boundary - fitted coordinate system is fitted not only to the ship hull surface but also to the freesurface, so the computational grid is regenerated to follow the free surface deformation. Although this methodneeds spend much longer computational time, but it can fairly display wave pattern made by a ship. The nu-merical simulation has been carried out for viscous flow with free surface past Series 60 ship hull at Fn =0. 316, Re = 1.9 × 106. The computed results are in reasonable agreement with experimental measure-ments.     

基于BFC-VOF方法的弧形防浪墙水动力数值模拟

文章建立了一种基于适体坐标系(BFC)的计算流体力学模型.采用坐标变换方法实现了任意复杂区域的结构化网格划分,在贴体网格下对二维不可压缩粘性流体的控制方程进行了离散,修正了贴体坐标下的界面跟踪方法(VOF方法).对弧形防浪墙结构附近的压力场,波面历时曲线进行了数值计算.将采用适体坐标的计算结果与在笛卡尔坐标网格下采用部...