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。     

尺度效应对全附体潜艇阻力数值计算结果的影响

采用数值计算方法对SUBOFF潜艇的全附体模型进行三维粘性流场数值模拟,将雷诺数为1.2×107时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 采用不同数量的网格分别对不同尺度的SUBOFF模型在高雷诺数条件下的流场进行数值模拟,研究网格数量和艇体主尺度大小对高雷诺数条件下潜艇阻力计算结果的影响,通过对计算结果的分析,获得了尺度效应和网格数量对潜艇阻力数值计算结果的影响规律。     

用雷诺应力模型预报不同雷诺数下的潜艇绕流

文章采用求解RANS方程的方法,结合五种湍流模型(κ-ε、RNG κ-ε、κ-ω、SST κ-ω、RSM),预报了SUB-OFF潜艇模型两种附体状态下(裸艇体+围壳、裸艇体+尾翼)的尾流场,也预报了SubB潜艇模型全附体状态下的尾流场,并与试验结果进行了对比分析,比较了五种湍流模型的计算精度,结果表明雷诺应力模型(RSM)预报的尾流场与试验最为接近.然后,利用CFD方法探讨了雷诺数对SUBOFF潜艇绕流影响的问题.计算了SUBOFF潜艇在不同雷诺数下的绕流,详细分析了尾流场轴向速度波动图、轴向速度等值线云图、边界层厚度和主附体接合部涡旋结构随雷诺数的变化.     

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。     

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.     

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。     

潜艇阻力与流场的数值模拟与验证及艇型的数值优化研究

采用求解RANS方程的数值计算方法,结合k-ε、RNGk-ε与k-ω三种湍流模型,预报了数值方法验证研究用美国DARPA潜艇模型SUBOFF与CSSRC潜艇模型SM-x的阻力与尾流场,并将计算结果与试验结果进行了对比和分析,验证了数值方法的可靠性.然后,利用数值计算手段,对6条潜艇模型的尾流场进行了比较分析,选出了一条桨盘面不均匀度系数最优的艇型,并对指挥台围壳与尾翼进行了加设弧形填角(填角与附体一体化)的设计,数值预报了填角对于尾流场的影响,从涡量角度探讨了填角处的流动机理,结果表明填角能够改善桨盘面的入流品质.对于"木"字型尾翼的尾流场也进行了数值模拟分析.数值优化手段的可行性得到了验证.     

附体对潜艇阻力性能的影响研究

为了研究附体对潜艇阻力性能的影响,对7种不同附体布置的SUBOFF潜艇模型进行直航运动的数值仿真,对各潜艇模型的摩擦阻力、粘压阻力和总阻力进行预报。通过数值仿真发现,附体的布置使粘压阻力显著增加。分析潜艇表面压力分布情况和潜艇周围速度场特性,对减少潜艇阻力、提高潜艇快速性和提高潜艇战斗力有重要意义,也为潜艇的初步设计和附体优化提供了参考。     

运输型载人潜器的阻力数值预报

首先对Myring型回转体的阻力数值计算方法进行了讨论。其中着重对回转体周围控制域的网格离散方法及湍流模型的选择进行了讨论。将回转体数值计算得到的结果与实验值进行对比,选出适合的湍流模型,同时验证了计算方法的可行性。其次应用之前提出的数值计算方法,对某型载人潜器的模型进行阻力数值计算,得到相应的阻力系数。最后通过换算得到实艇阻力,并绘制了实艇的有效功率曲线。研究表明,相比于k-ε模型,k-ω模型能更好地计算Myring型回转体的阻力,并且在高雷诺数下有较高的精度,更适宜目标潜器的阻力预报。从目标潜器模型的直航阻力入手,对实艇的阻力进行预报,最后得到其有效功率,为该载人潜器的动力、控制等系统的设计提供了参考。     

潜艇近海底与近水面绕流数值模拟研究

采用求解RANS方程的方法,结合RNG k-ε湍流模型,对于某潜艇模型近海底和近水面绕流进行了数值模拟.计算了不同海底深度下潜艇模型的阻力、垂向力和俯仰力矩,也计算了同一海底深度下潜艇阻力随傅氏数的变化,研究表明当海底深度超过二分之一艇长时,海底对阻力的影响可忽略不计.自由液面捕捉采用VOF(Volume of Fluid)方法.计算了不同浸深下潜艇模型的阻力和自由液面波型,同时又研究了同一浸深下阻力和波型随傅氏数的变化趋势.研究表明,当浸深超过三分之一艇长时,自由液面波高迅速减小,自由液面对阻力的影响可忽略不计.计算结果与试验结果吻合较好.     

中低速船底部断阶对流场和阻力的影响

为分析断阶对船舶流场及阻力性能的影响,针对一条中低速船舶在断阶位置、断阶高度不同,不计自由面影响且船舶无攻角条件下,采用有限体积法和SIMPLEC算法,耦合求解Navier-Stokes方程和连续性方程。采用SSTk-ω两方程模型,压力采用标准格式;动量方程、雷诺应力封闭方程均采用二阶迎风格式。计算结果与原型船模的对比性分析显示:与原型船模相比,断阶导致船模总粘性阻力均略有增加,断阶位置下游一定范围内的船体壁面切应力以及压力系数均有所增加;断阶高度为船舶吃水的0.037 5%与0.025%相比,断阶高度小阻力增幅小;与14站处断阶相比,位于13站处的断阶方案的船模总阻力系数较大。     

Improving longitudinal motion prediction of hybrid monohulls with the viscous effect

A new method improves prediction of the motion of a hybrid monohull in regular waves. Stem section hydrodynamic coefficients of a hybrid monohull with harmonic oscillation were computed using the Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations (RANSE). The governing equations were solved using the finite volume method. The VOF method was used for free surface treatment, and RNGК-ε turbulence model was employed in viscous flow calculation. The whole computational domain was divided into many blocks each with structured grids, and the dynamic process was treated with moving grids. Using a 2-D strip method and 2.5D theory with the correction hydrodynamic coefficients allows consideration of the viscous effect when predicting longitudinal motion of a hybrid monohull in regular waves. The method is effective at predicting motion of a hybrid monohull, showing that the viscous effect on a semi-submerged body cannot be ignored.     

船体艏部水动力性能优化

提出一种以势流兴波阻力理论Rankine源方法为基础,结合SHIPFLOW软件为计算工具,利用CAD-CFD集成平台FRIENDSHIP-Framework软件进行变形优化,研究船舶的最小兴波阻力型线优化设计的方法,并考察了兴波优化得到的船型总阻力变化情况。在型线优化过程中,以兴波阻力系数为目标函数,排水量变化范围为约束条件,在Wigley船体前端增加一个利用Feature建模技术参数化生成的球艏并调整艏部型线使得船体表面光顺。选取球鼻艏形状的各项参数作为基本设计变量,利用DOE方法对船艏进行优化,获得了设计航速下兴波阻力较小的船型,验证了所提方法进行船艏型线优化的有效性。相应的考察变形及优化前后总阻力变化情况表明:在高傅汝德数情况下增加球艏所带来的粘性阻力的增加小于兴波阻力的减小量,总阻力得到了改善,优化后得到的球艏能在进一步减小兴波的同时减小总阻力。此外,还运用所提方法对3100TEU船型的船艏,利用Delta Shift方法进行变形,在设计航速下,将变形的参数作为设计变量,利用DOE方法进行优化设计。结果显示:在排水量限制范围内当球鼻艏向上向前伸展一定长度时可以降低兴波阻力。与此同时,由于优化前后船体湿表面积变化很小,粘性阻力的变化并不明显,兴波的减小则使得总阻力得到了改善。     

基于SPH流体仿真的船模阻力试验过程的虚拟展现

通过求解RANS方程计算船体周围粘性边界层,同时结合VOF方法处理自由表面,能够获得带自由表面的船体周围稳态粘性流场,但是难于比拟拖曳水池模型试验得到连续变化的流场,该文提出采用SPH流体仿真方法模拟船模阻力试验中自由表面及流场的生成与演化,并借助三维交互式图形显示技术实现试验过程的虚拟展现,最后以DTMB 5415船模试验加以例证。     

Investigation of cavitation inception characteristics of hydrofoil sections via a viscous approach

Unlike traditional approaches based on potential theory, this work investigated the cavitation inception characteristics of hydrofoil sections by solving Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations. The viscous effects at high Reynolds numbers were taken into account through calculation of the eddy viscosity using a k- model. This viscous approach delivers the lift and drag forces in a more self-contained way, which cannot be obtained directly from the potential theory. A comparison with smooth surface measurements validates the proposed numerical method. Two approaches to include the roughness effects are also described. The predictions of cavitation bucket characteristics based on potential theory are more conservative than those reached by the proposed viscous computations. Hydrofoil sections with different camber ratios, foil thicknesses, and Reynolds numbers were studied numerically. A decrease in the Reynolds number tends to increase the cavitation-free region without changing the shape of the steep region. An increase in foil thickness gives a range increase in the angle of attack where no cavitation is expected. An increase in the camber ratio moves the cavitation-free location of the angle of attack, and slightly increases its range.     

基于计算流体动力学的流量系数研究

为了研究某液压装置中节流阀的流量系数与孔口雷诺数之间的关系,该文利用计算流体动力学软件FLUENT,构造结构化网格,采用层流模型或标准湍动能-湍动能耗散率(k-ε)模型,对节流阀内部层流或紊流流动进行数值模拟.经过对不同孔口雷诺数工况的数值模拟计算发现:节流阀流量系数与孔口雷诺数关系比较符合文献[7]中提出的短孔流量系数的计算公式,表明了文中提出的基于计算流体动力学的数值模拟是可行的.     

均匀粘性流体中截断直立圆柱体受迫振荡的三维数值模拟

研究了直立截断圆柱体受迫振荡时的三维绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,采用有限体积法和PISO算法,以自身泻涡频率为振荡频率建立数值模型对受迫振荡圆柱体进行研究分析.分析对比了受迫振荡圆柱体与静止圆柱体力系数差别及流场特性,并取多组雷诺数对柱体的力系数和流场进行了研究分析,总结了受迫振荡圆柱体力系数幅值及平均力系数随雷诺数的变化规律.     

小水线面双体船船型与阻力特性关系的研究

本文利用计算流体力学软件FLUENT对一小水线面双体船的粘性绕流进行了数值模拟，研究其船型与船舶阻力之间的关系，主要讨论以下几个方面：（1）特定船型条件下，随着雷诺数变化阻力的变化情况；（2）两潜体在相同长度不同间距时的阻力特性；（3）相同排水量的条件下，潜体不同长径比时的阻力特性。通过将数值模拟结果与经验公式比较，验证FLUENT软件用于船舶阻力分析的有效性和实用性。