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。     

潜艇喷流流场数值模拟研究

采用数值求解RANS方程的计算方法,结合κ-ω湍流模型,模拟了潜艇模型在指挥台围壳开孔喷流后的流场和水动力.喷流孔布置在指挥台围壳的根部.详细比较了喷流孔位置、尺度、流量等要素对于潜艇流场和水动力的影响.计算给出了桨盘面无量纲速度、不均匀度系数u△、喷流孔附近的速度矢量分布以及喷流孔后的迹线.从涡量的角度初步探讨了喷流改善尾流场的机理.计算结果表明,喷流作为一种主动的流动控制手段可以有效改善潜艇流场品质,喷流流量是影响潜艇流场和水动力的最主要的因素,喷流孔流量与尺度最优值的选择要综合考虑水动力性能的变化.     

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。     

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。     

潜艇指挥台围壳流场压力特性及其应用研究

本文在理论上探讨了潜艇指挥台围壳流场的压力分布，系统地分析了设置各种方案的附体排气道时围壳上的压力分布情况，提出附体排气道位置的最佳方案，并讨论了负压区排气口对柴油机性能的影响。计算结果与指挥台围壳模型风洞实验结果具有较好的一致性。     

基于STAR-CCM+的潜艇周围复杂流场数值模拟

为研究潜艇周围复杂的流场分布,本文基于STAR-CCM+软件平台,结合SST k-?模型,通过求解Navier-Stokes方程,分别对均匀来流以及非均匀来流这两种来流方式下潜艇做直航运动以及斜航运动这四种工况下的周围流场进行数值模拟.首先计算了均匀来流下潜艇做直航运动时不同航速下的阻力以及表面不同位置处压力系数及摩擦阻力系数分布,与实验结果符合良好.接下来对四种工况下潜艇周围流场中的漩涡分布,尤其对位于指挥台围壳与尾翼这些附体附近区域的漩涡分布进行了分析,同时还计算了非均匀来流情况不同速度分布形式下潜艇的受力以及力矩,为潜艇平台回收AUV时路线选择提供参考.     

利用面元法计算潜艇在水底引起的压力分布

针对潜艇水下航行时的压力场特性,应用船舶水动力学势流理论,建立计算潜艇水压场的数学模型。采用Hess-Smith方法将面源分布于艇体表面,对潜艇引起的水底压力变化进行数值计算,并与主艇体及已有实验结果进行比较。分析潜艇水压场的分布特点以及水深、指挥台围壳对压力场分布的影响。理论计算与实验结果对比表明,二者之间吻合良好。     

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.     

指挥台围壳雷达隐身性数值模拟

对潜艇指挥台围壳在水面航行状态和半潜航行状态下的雷达隐身性进行研究。基于高频法,应用CATIA和MATLAB软件对三元流线型指挥台围壳和传统的直壁式指挥台围壳的雷达散射截面积(RCS)特性进行数值模拟和对比分析,并在此基础上进行雷达发现概率的计算。研究指挥台围壳的探测概率随距离变化的关系和指挥台围壳在2种航行状态下各重点探测角域探测概率的变化关系。研究表明,对指挥台围壳进行三元流线型设计并配合低矮化设计后,能明显改善潜艇指挥台围壳的雷达隐身性。     

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。     

附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响

针对SUBX潜艇模型,采用数值计算手段,开展附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响分析。计算表明,附体导致潜艇粘压阻力的显著增加,以及伴流场不均匀性的产生。稳定翼对桨盘面半径内伴流场不均匀性的影响较大,而指挥室围壳主要影响桨盘面半径外伴流场不均匀性。从降低阻力和改善伴流场角度考虑,需开展附体外形、位置及与主艇体连接形式的深入研究。     

水平面操纵运动中潜艇受到的"离面载荷"的数值模拟

本文用数值方法研究了潜艇模型在水平面做操纵运动的过程中受到的垂向力和俯仰力矩.这种"离面载荷"来源于指挥台围壳梢涡诱导的环量和指挥台之后的艇体受到的横向流动之间的相互作用.本文用求解RANS方程的方法模拟了潜艇模型的斜航拖曳试验和旋臂回转试验.文中不仅分析了这两种情况下的受力和力矩,还捕捉到了操纵运动中潜艇绕流的漩涡结构,最后对产生离面载荷的物理机理进行了讨论.     

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。     

潜艇尾部流场的数值模拟

对潜艇实艇体周围三维流场进行数值模拟探讨，选用标准k—ε和RNG k—ε两种不同的湍流模式进行雷诺平均N—S方程计算。计算使用Fluent软件得到潜艇三维流场的速度分布，着重研究其尾部螺旋桨盘面处的伴流，并将两种湍流模式计算的结果进行比较。     

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.     

水下航行体尾流演化特征的数值模拟研究

采用数值模拟方法研究水下航行体标准模型Suboff的尾流场,重点研究航行体艇体、尾舵和指挥台尾流的演化及其干涉特征。研究结果揭示了艇体尾流速度很快满足Gaussian分布的自相似特征,艇体与尾舵相互作用后的尾流速度接近Gaussian分布特征,但艇体与尾舵、指挥台三者相互作用后的尾流速度则明显不满足Gaussian分布特征。因此,数值计算的研究结果明确尾舵对整个航行体尾流的影响在设计中几乎可以忽略不计,但需要考虑指挥台对整个航行体尾流的影响。     

基于雷诺应力方程模型的全附体潜艇尾部伴流场三维粘性数值计算

采用Reynolds应力方程模型求解Reynolds平均Navier—Stokes方程，对SUBOFF全附体模型的尾部伴流场进行了三维粘性数值模拟，将计算的潜艇尾部伴流场同有关文献的试验结果进行了比较，计算结果同试验结果具有很好的一致性。结果表明，Reynolds应力方程模型在潜艇的流场计算中特别是在对潜艇的尾部伴流场的计算方面具有很好的应用价值和发展前景。     

潜艇艏部声呐流噪声计算方法研究

选取系列艇型,对潜艇艏部声呐的流场进行数值模拟计算.通过对SUBOFF艇型计算,验证绕艇体三维粘性流场计算方法的正确性.在此基础上结合FW-H公式,计算潜艇艏部声呐流噪声声压级,并总结得出不同的艏部声呐结构形式在首段的不同部位处对压力场和流噪声场的影响规律.     

基于标准潜艇模型的潜艇机械噪声影响因素分析

基于Benchmark标准潜艇模型,建立了不同结构形式的Benchmark标准模型的衍生潜艇模型,包括单层壳潜艇模型和双层壳潜艇模型以及无附体结构和有附体结构的潜艇模型。开展理论解析解计算与数值仿真计算比对,得到数值仿真计算的置信度,并开展Benchmark潜艇缩比模型实验室试验,通过试验验证数值仿真计算的可靠性。基于以上研究,针对潜艇机械噪声开展数值计算,计算得到在海洋流场环境中不同结构形式的Benchmark潜艇模型的固有振动特性以及其受到机械设备激励作用下的机械辐射噪声值,并通过对比分析得到了不同激励形式、不同潜艇艇体结构特性对其机械噪声的影响规律。