CFD在潜艇操纵性水动力工程预报中的应用研究

潜艇操纵性的设计预报基础是潜艇操纵性水动力的预报.基于潜艇线型几何参数的工程实用预报方法,在潜艇操纵性方案选型和水动力布局优化设计中显得尤为重要.本文探讨CFD在潜艇操纵性水动力预报方面的应用能力和预报精度,并应用七参数线型模型、采用均匀设计试验方法,设计了一个系列28条潜艇主体类水滴型模型,通过数值模型试验和回归分析,提出了潜艇主体操纵性水动力的估算公式,具有良好的应用前景.     

系列舵翼潜艇水动力系数数值计算及试验研究

操纵性水动力系数的准确计算和测量对潜艇操纵性预报及运动控制起着至关重要的作用。文中以SUBOFF为研究对象,基于切割体网格应用STARCCM+软件完成系列舵翼艇体阻力的数值模拟;采用基于三角形网格的面元法程序和循环水槽操纵性试验2种方法获得系列舵翼缩比模型(λ=2:1)的水动力系数,并研究不同Re下舵角水动力系数的变化趋势。结果与文献[1]对比,验证了STARCCM+对潜艇阻力性能模拟的可靠性以及2种方法获取水动力系数的正确性,为潜艇水动力系数的CFD数值模拟和操纵性预报仿真提供可靠的参考依据。     

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。     

潜艇操纵水动力小波神经网络预报方法研究

针对潜艇操纵性优化设计中水动力系数预报问题,在潜艇水动力预报中引入艇体肥瘦指数概念,确定了潜艇艇体几何描述的五参数模型。提出采用小波神经网络方法预报潜艇水动力,确定了神经网络的结构,利用均匀试验设计方法,设计了神经网络的学习样本。在验证CFD预报艇体水动力有效的基础上,完成了样本水动力系数的CFD计算;通过对样本进行学习,完成了潜艇艇体操纵性水动力系数小波神经网络预报。研究结果表明,只要确定适当的输入参数,选择适当的学习样本和网络结构,利用小波神经网络方法对潜艇水动力进行预报可以达到较高的精度。     

基于CFD的潜艇操纵性数值仿真发展综述

潜艇操纵性是潜艇重要的综合航行性能之一,随着计算机能力的提升及计算流体力学理论的进步,基于CFD技术的潜艇操纵性预报已成为当前的研究热点。本文在收集分析国内外潜艇操纵性预报相关文献资料的基础上,分别介绍基于CFD的潜艇操纵性间接预报方法和基于CFD的潜艇操纵性直接预报方法的特点,对近20年来基于CFD方法的潜艇操纵性预报研究的若干热点问题及进展情况进行总结及展望。     

新型油船操纵运动数值模拟

新船艇在制造之前要进行操纵性预报,而数值模拟现成为预报中一种较可靠方法。为了研究一艘新型万吨油船的操纵性,采用分离性数学模型(MMG),结合船艇粘性水动力性能特点,构建船艇操纵运动模拟模型,运用4阶龙格-库塔(Runge-Kutta)数值方法求解该微分方程。基于该综合集成方法,对该新油船在满载条件下的定常回转试验、Z形试验等自航模操纵运动进行数值模拟,并将数值模拟结果同该船的自航模试验进行比较,模拟结果与试验数值较吻合。研究表明,利用文中的数值模拟法可以有效实现该新油船操纵运动模拟和操纵性预报。     

肥大型船模操纵性水动力CFD预报的试验验证分析

肥大型船操纵性水动力的预报不仅是肥大型船操纵性设计多方案选型及优化的基础,而且是水面船操纵性水动力预报中的难点.文章探讨了CFD在肥大型船操纵性水动力预报方面的应用能力和预报精度,并进行了系列模型的CFD计算与验证分析,结果表明所建立的肥大型船操纵性水动力CFD数值预报方法具有良好的精度和普适性.     

潜艇操纵性多目标优化及灵敏度分析

以潜艇操纵面的几何尺度和纵向位置为设计变量,估算归一化后的无因次水动力系数,建立潜艇操纵性指标预报数学模型.基于iSIGHT优化平台,采取NCGA遗传算法开展潜艇操纵性指标的多目标优化设计,给出改进的优选方案,并进行灵敏度分析,评估操纵面参数对操纵性指标的影响.     

基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究评述

潜艇倒航操纵性研究是潜艇操纵性领域的难点问题。在调研和查阅了大量文献资料的基础上,综述了国内外潜艇倒航操纵性研究的发展概况,着重对潜艇倒航操纵运动数学模型、基于 CFD的数值操纵水池技术和潜艇倒航运动操纵性能分析方法等方面存在的问题进行讨论,分析了基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究的可行性,提出了基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究的基本方法、需要解决的重点问题及关键技术。     

基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究评述

潜艇倒航操纵性研究是潜艇操纵性领域的难点问题。在调研和查阅了大量文献资料的基础上,综述了国内外潜艇倒航操纵性研究的发展概况,着重对潜艇倒航操纵运动数学模型、基于CFD的数值操纵水池技术和潜艇倒航运动操纵性能分析方法等方面存在的问题进行讨论,分析了基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究的可行性,提出了基于数值操纵水池的潜艇倒航操纵性研究的基本方法、需要解决的重点问题及关键技术。     

潜艇舵卡和舱室进水情况下的安全性研究

在潜艇空间运动方程基础上，结合潜艇大功角操纵性水动力试验，考虑了大功角状态下的水动力系数项对潜艇状态的影响，建立了完整的潜艇应急挽回操纵模型和高压气吹除压载水舱模型。模拟了目标潜艇艉升降舵卡和潜艇不同部位破损进水典型事故，确定了不同事故情况和不同挽回方式下的深度和速度限制安全操纵运动图，并讨论了最佳操纵方案和限制线上潜艇状态特性。仿真结果表明，数值模拟能够较好的预报潜艇舵卡和进水情况下的性能，以及潜艇能成功挽回浮出水面的能力。     

基于CFD的内河船深浅水中操纵性预报

由于岸壁效应和浅水效应,内河船舶在限制水域作操纵运动时通常受到比在开阔水域中更大的水动力.这些水动力对船舶操纵性具有不利影响,有可能导致船舶碰撞或触底等海上事故.因此,为了在船舶设计阶段预报其操纵性能,考虑浅水效应和岸壁效应以准确计算内河船舶操纵运动水动力非常重要.本文基于CFD方法,通过对粘性绕流进行数值模拟,对长江中营运的三艘内河船舶的操纵运动水动力进行计算.首先,为了验证数值方法的可靠性,对标模KVLCC2纯横荡和纯首摇试验的水动力进行计算,并将计算结果与现有的试验数据进行对比.然后,对三艘内河船舶在不同水深下的静舵试验、纯横荡和纯首摇试验进行数值模拟,计算得到水动力及相应的线性水动力导数.最后,基于计算得到的水动力导数,获得Nomoto模型中的操纵性参数,对比分析三艘内河船舶在深浅水中的操纵性能.结果表明,本文方法可以揭示不同水深下三艘内河船舶的操纵性变化趋势.该方法可为船舶设计阶段内河船舶深浅水中的操纵性预报提供一种实用的工具.     

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。     

潜艇舱室进水应急起浮时的机动性研究

为了探索潜艇应急起浮时的运动规律,在建立潜艇应急挽回操纵运动模型基础上,结合潜艇大攻角操纵性拘束船模水动力试验获得不同攻角状态下的水动力系数。引入敏感性指数概念,对敏感性指数高的水动力系数进行回归拟合时分为小攻角水动力系数和大攻角水动力系数两段进行描述,对潜艇不同事故应急起浮机动性进行仿真,得到潜艇应急起浮运动参数变化规律。结果表明,文中计算方法能够正确预报潜艇应急起浮的运动规律。     

斜流中艇后螺旋桨水动力数值计算方法

为解决潜艇操纵性研究中螺旋桨水动力预报问题,本文应用Fluent软件对斜流条件下全附体潜艇模型艇后水动力进行计算。网格划分上将计算域分解为静止域与转动域2部分,2部分交界面采用滑移网格技术传递数据。选取适当的数值离散方法,分别计算0°攻角时不同进速下以及设计进速下不同攻角时艇后螺旋桨水动力的值,并通过与试验数据的对比验证算法的可靠性。计算结果表明,艇后螺旋桨推力和扭矩随着攻角的增大呈现出先减小后增大的趋势。     

潜艇操纵性水动力系数预报方法研究

本文基于CFD技术求解RANS方程,数值模拟了SUBOFF模型的拘束模试验,首先数值模拟了SUBOFF模型的斜航实验,获得的粘性类水动力系数与试验值吻合良好,然后数值模拟了SUBOFF模型的PMM试验,计算获得的惯性类水动力系数精度较好,满足工程应用要求,而得到的粘性类水动力系数误差稍大于斜航实验结果,粘性类水动力系数通过数值模拟斜航实验获取可信度更高,该方法可以作为预报分析潜艇操纵性能主要水动力系数的方法。     

十字舵与X舵潜艇的水动力性能数值比较

现代潜艇尾操纵面建筑形式主要选择十字舵与X舵,这2种形式的舵各有其优缺点。在以往关于这2种舵形潜艇操纵性水动力的研究中,有研究者通过编制潜艇六自由度运动仿真程序,对十字舵与X舵在水平面和垂直面的水动力性能进行了综合比较,得出X舵的水动力性能优于十字舵。本文以十字舵和X舵Suboff为研究对象,通过CFD数值方法模拟了潜艇直航运动和垂直面变攻角运动这2种具有典型代表意义的运动情况,分别计算了2种舵形潜艇的操纵性水动力,通过分析计算结果,定量地比较了在舵面积相等的情况下十字舵与X舵潜艇的水动力性能,得出与编程仿真相同的结论:X舵的水动力性能优于十字舵。     

十字舵与X舵潜艇的水动力性能数值比较

现代潜艇尾操纵面建筑形式主要选择十字舵与X舵,这2种形式的舵各有其优缺点.在以往关于这2种舵形潜艇操纵性水动力的研究中,有研究者通过编制潜艇六自由度运动仿真程序,对十字舵与X舵在水平面和垂直面的水动力性能进行了综合比较,得出X舵的水动力性能优于十字舵.本文以十字舵和X舵Suboff为研究对象,通过CFD数值方法模拟了潜艇直航运动和垂直面变攻角运动这2种具有典型代表意义的运动情况,分别计算了2种舵形潜艇的操纵性水动力,通过分析计算结果,定量地比较了在舵面积相等的情况下十字舵与X舵潜艇的水动力性能,得出与编程仿真相同的结论:X舵的水动力性能优于十字舵.     

船舶操纵性计算预报中的不确定度评定

不确定度分析是以定量的形式给出数据结果的品质和可信度,是数据分析中必要的一个组成部分。为了适应国际海事组织(IMO)正式通过的 MSC.137(76)船舶操纵性标准(IMO,2002b)决议,就要求在船舶设计阶段通过数值计算方法预报的操纵性能更加精确。因此,文章依照 GUM 不确定度评定方法,基于船舶操纵性预报整体型数学模型,结合操纵性水动力试验结果及其导数分析,对船舶操纵性预报结果进行了不确定度评定。     

潜艇水下航向改变时的操纵性研究

本文对潜艇六自由度空间运动方程中所包含的108个水动力系数,进行了全面的分析、实验测定及近似计算,得到了描述潜艇空间运动的简化模型。并在此基础上,通过数值计算方法,对潜艇在水下航向改变时的运动进行了计算机模拟,获得了较好的结果,为保持潜艇水下无纵倾定深转向,提供了较为简洁的实施方式,并为潜艇水下操纵及自动驾驶仪的设计提供了理论依据。本文还对典型的水动力系数进行了大量的变值计算,为进一步进行潜艇操纵性的研究提供了依据。