雷诺数对潜艇粘压阻力和尾部伴流场影响的数值计算研究

采用数值计算方法对SUBOFF潜艇的主艇体模型和全附体模型在不同雷诺数条件下进行三维粘性流场数值模拟。将低雷诺数条件下的计算结果与试验结果进行比较,验证计算方法的可靠性;利用数值计算技术分析潜艇工程设计和试验中出现的问题,包括潜艇实艇阻力预报方法研究和雷诺数对潜艇尾部伴流场的影响研究。     

潜艇实艇阻力预报方法研究

分析潜艇阻力预报的方法和特点,采用数值计算方法对SUBOFF潜艇的主艇体模型和全附体模型在不同雷诺数条件下进行三维粘性流场数值模拟,将低雷诺数条件下的计算结果同试验结果进行比较,验证了计算方法的可靠性;通过对计算结果的分析,获得潜艇粘压阻力系数随雷诺数变化的规律,对潜艇实艇阻力预报提出一些建议。     

潜艇直航操舵水动力尺度效应研究

尺度效应是船舶水动力学研究的一个关键问题。目前,对船舶尺度效应的研究大多集中在阻力性能方面。本文针对水下航行体操纵性能评估的需要,对水下航行体操舵水动力性能的尺度效应进行探讨。以典型潜艇模型SUBOFF为研究对象,采用计算流体动力学方法对不同尺度下的直航操舵试验进行数值模拟,分析网格尺度对不同尺度计算结果的影响。在此基础上,探讨不同尺度下的潜艇绕流场特性,以及作用在潜艇上的水动力及力矩变化规律,对于研究水下航行体操纵性能的尺度效应问题具有一定的借鉴意义。     

潜艇指挥台围壳优化设计方案研究

文中主要计算研究了带有不同水平位置、高度及外形下的潜艇指挥台围壳的全附体SUBOFF潜艇模型,采用求解RANS方程的CFD软件的数值计算方法,对不同方案模型进行了数值计算,保证各工况间网格的相似性,横向比较各方案的计算结果。研究指挥台围壳部分与整体的阻力情况,指挥台围壳对其后方流场及螺旋桨盘面处的伴流场的影响情况,经综合比较得到最优的围壳设计方案。     

全附体潜艇三维粘性流场数值计算方法研究

采用不同的湍流模型和网格形式对SUBOFF全附体模型进行三维粘性流场数值模拟,将计算所得的艉部伴流场同有关文献的试验结果进行比较,并以伴流分数对周向角的曲线形式展现出来,分析了湍流模型、艇体周向网格节点间距和y+值对全附体潜艇三维粘性流场数值计算结果的影响.     

澳大利亚未来潜艇外形特点分析

澳大利亚出于国家战略威慑力和能源安全性的考虑,预计在2026年完成下一代潜艇的设计制造,以接替"柯林斯"级潜艇,实现情报收集、对陆打击、协同作战等多重目标。从澳大利亚2026年潜艇的设计理念和具体实现入手,分析其外形特点和改良后的总体性能;在不同雷诺数条件下,采用数值计算方法对2026年潜艇的光体模型进行三维粘性流场数值模拟,分析其快速性以及同一网格划分的计算准确性随速度的变化规律;在雷诺数为3.50×107时,选取同2026年潜艇模型主尺度(L和D)、湿表面积、排水量基本相等的水滴形潜艇光体模型,保证网格数量相近,对其流场进行数值模拟,研究不同外形特点对潜艇水动力特性的影响。计算结果表明,2026年潜艇采用的外形水动力特性略低于水滴形,原因是潜艇设计的边界条件包含水动力特性、总体布置、可靠性、经济性等诸多方面,选取各项性能指标时,要综合考虑,彼此兼顾,达到较优的平衡状态。     

潜艇主艇体三维粘性流场数值计算方法研究

采用不同的湍流模型、边界条件对SUBOFF模型主艇体的七种网格模型进行了三维粘性流场数值模拟.将计算所得的艇体表面的压力系数和壁面剪应力系数沿艇长的分布与有关文献的试验结果进行了比较,并以曲线的形式展现出来.分析了湍流模型、边界条件和y+值范围对潜艇主艇体三维粘性流场数值计算结果的影响.     

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。     

基于重新建模法的滑行艇阻力数值计算

针对采用重叠网格法对滑行艇阻力数值计算时,采用不同子域的方式会增加网格数量,且在2套网格交接位置通过插值实现数据交换会引入额外的误差,从而导致计算精度和计算效率不高的问题,引入动态边界实现的网格方法,即重新建模法。借助计算流体动力学(CFD)软件STARCCM+,分别采用2种网格方法对一模型尺度滑行艇进行数值模拟,通过对试验结果进行对比和不确定度分析,对数值方法进行确认和验证。在此基础上,采用重叠网格方法和重新建模法对不同航速滑行艇进行绕流场数值模拟。并进行阻力和航态数值结果对比。结果表明,与重叠网格方法相比,重新建模方法的计算精度和计算效率均所有提高。     

数值拖曳水池与潜艇快速性CFD模拟研究

详细介绍了中国船舶科学研究中心所建立的数值拖曳水池中的潜艇快速性CFD模拟研究.明确了潜艇阻力、流场、自航(艇/桨干扰)水动力以及螺旋桨敞水水动力的计算方法.同时对潜艇快速性算例进行了系统分析,详细给出了数值预报精度.这些算例的计算模型包含15条系列回转体模型、10条系列全附体潜艇模型、SUBOFF潜艇模型、多条供计算验证所用的潜艇模型和螺旋桨模型.文中的研究结果是数值水池的重要组成部分,可资今后潜艇绕流数值计算借鉴与采用.     

带附体潜艇绕流场数值计算与验证

采用κ-ε湍流模型和有限体积法用求解RANS方程的方法,对全附体的SUBOFF AFF-8潜艇模型三维粘性绕流场进行了数值模拟计算.一种结合增强型壁面函数的两层模型被采用,以便在近壁区域采用精细网格来模拟边界层内的流场流动特征.给出了雷诺数Re=1.2×107下模型表面纵中剖面线上半部分压力系数与摩擦阻力系数的分布,以及指挥台围壳与尾翼表面不同高度处的压力系数分布,同时计算了桨盘面处的尾流速度分布,并与有关文献给出的实测值进行了比较和验证,分布趋势基本一致,较相关文献给出的计算结果有相当大的改进,此外从指挥台围壳与尾翼后的速度矢量图观察到了与有关文献相同的涡旋流场结构,从而验证了该数值方法的有效性,为潜艇概念设计中评价设计方案优劣提供了重要的技术手段.     

潜艇操纵水动力数值预报网格与湍流模型选取研究

针对采用计算流体力学(CFD)数值方法预报潜艇操纵水动力中,网格划分和湍流模型选择的问题。以SUBO)FF潜艇模型为对象,对不同网格分辨率的模型进行了水动力计算,对网格的收敛性进行了研究,采用五种不同湍流模型,计算得到了不同漂角下潜艇所受水动力,并和试验结果进行了比较。研究结果表明,在采用CFD数值方法预报潜艇操纵水动力时,纵向力对网格分辨率有较高要求,而侧向力和力矩对网格分辨率要求较低,在湍流模型选择上,采用标准k-ω湍流模型能够获得与试验结果更相符合的计算结果,是目前硬件条件下潜艇水动力CFD预报比较合适的一种湍流模型。     

潜艇艏舵绕流场的数值模拟

为了研究艏水平舵位置对于艉部流场的影响,将艏水平舵布置在指挥室或主艇体上(分别称为围壳舵和艏舵)。通过对SUBOFF进行数值模拟计算,验证网格划分方式和数值计算方法的正确性,并将该方法应用于围壳舵和艏舵模型。计算结果表明,在采用较好的流线型指挥室的情况下,采用艏舵形式有利于艉部伴流场的均匀性。     

Effects of bulbous bow on cross-flow vortex structures around a streamlined submersible body at intermediate pitch maneuver: A numerical investigation

A flow field around a streamlined body at an intermediate angle of incidence is dominated by cross-flow separation and vortical flow fields. The separated flow leads to a pair of vortices on the leeside of the body; therefore, it is essential to accurately determine this pair and estimate its size and location. This study utilizes the element-based finite volume method based on RANS equations to compute a 3D axisymmetric flow around a SUBOFF bare submarined hull. Cross-flow vortex structures are then numerically simulated and compared for a submarine with SUBOFF and DRDC STR bows. Computed results of pressure and shear stress distribution on the hull surface and the strength and locations of the vortex structures are presented at an intermediate incidence angle of 20°. A wind tunnel experiment is also conducted to experimentally visualize the vortex structures and measure their core locations. These experimental results are compared with the numerical data, and a good agreement is found.     

基于STAR-CCM+的潜艇无动力低速下潜受力仿真

本文以SUBOFF AFF-8全附体潜艇模型为研究对象,对微型潜艇在执行特种任务时以3种速度、8种纵倾角姿态的组合做下潜运动的受力进行仿真。通过改变不同来流速度以模拟潜艇在不同速度下的稳态下潜,得到潜艇8种姿态下以不同速度的阻力和纵倾力矩,从而给潜艇下潜时调节首、尾压载保持受力平衡提供依据;同时进行潜艇在水下直航状态的垂向力系数和纵倾力矩系数仿真验证,结果与试验值对比误差较小。     

潜艇操纵性水动力数值计算中湍流模式的比较与运用

湍流模式的选取对潜艇操纵性水动力数值计算精度有着重要影响,采用六种湍流模式计算了SUBOFF主艇体及主艇体加指挥室围壳两种模型在一定漂角范围内的潜艇操纵性水动力,并与试验值进行了比较,结果表明SSTk-ω模型更为适合潜艇操纵性水动力计算。在此基础上对SUBOFF全附体模型在一定漂角和攻角范围内的艇体水动力进行预报计算,并对该计算方法应用于潜艇操纵性水动力预报计算的计算精度与适用范围进行了探讨。     

潜艇流场数值模拟及不确定度分析

为了分析计算流体力学预测结果的可信度问题,采用雷诺平均N-S方程,结合SSTκ-ω湍流模型,对验证研究用的美国DARPA潜艇模型SUBOFF光体湍流场进行数值计算,预报了艇体压力系数,计算流体力学预报值与实验基准数据有较好地吻合,并对雷诺平均N-S方程法进行了验证与确认,不确定度为1.52%.本文相关计算网格数20万左右,单机运行时间大约在2 h后得到收敛值,充分显示了计算流体力学方法在潜艇初步设计中预测水动力性能的高效性、可用性与可信性.