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。     

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。     

潜艇围壳舵和首舵水动力性能比较

安装在潜艇上的首部水平舵位置对于潜艇在垂直方向的稳定性以及操纵性具有重大意义.本文首先通过Fluent 14.0计算Suboff模型的阻力以及DTMB舵型的升、阻力,仿真结果与实验结果吻合较好.然后计算带围壳舵Suboff潜艇和带首舵Suboff潜艇的阻力、升力特性,并比较了潜艇带首舵和围壳舵的升阻力特性差异,以及对艇体表面压力分布和尾部流场的影响.计算结果显示,相同舵角下,围壳舵和首舵阻力相差不大,围壳舵升力比首舵升力大.相同舵角下,潜艇总阻力相差不大,带首舵潜艇总升力、总力矩比带围壳舵潜艇总升力、总力矩大.围壳舵舵角的变化对艇体表面的压力变化影响相对首舵来说较小.围壳舵和首舵在较大舵角下,都会对尾水平舵产生显著影响.     

潜艇围壳舵和首舵水动力性能比较

安装在潜艇上的首部水平舵位置对于潜艇在垂直方向的稳定性以及操纵性具有重大意义。本文首先通过Fluent 14.0计算Suboff模型的阻力以及DTMB舵型的升、阻力,仿真结果与实验结果吻合较好。然后计算带围壳舵Suboff潜艇和带首舵Suboff潜艇的阻力、升力特性,并比较了潜艇带首舵和围壳舵的升阻力特性差异,以及对艇体表面压力分布和尾部流场的影响。计算结果显示,相同舵角下,围壳舵和首舵阻力相差不大,围壳舵升力比首舵升力大。相同舵角下,潜艇总阻力相差不大,带首舵潜艇总升力、总力矩比带围壳舵潜艇总升力、总力矩大。围壳舵舵角的变化对艇体表面的压力变化影响相对首舵来说较小。围壳舵和首舵在较大舵角下,都会对尾水平舵产生显著影响。     

基于操纵性的潜艇指挥室围壳外型优化数值研究

潜艇做水平面转向运动时,指挥室围壳处于有漂角的斜流之中,受主艇体与围壳干扰后的流场作用于艇上产生的水动力与力矩,使潜艇常伴随出现另外2个坐标平面上的耦合运动,即横倾、纵倾和潜浮运动,而围壳的高度与外形特征对耦合运动的幅度有直接的影响.文中对一近似常规潜艇模型的指挥室围壳进行优化,得到了低矮化、流线型化的3种围壳模型,采用CFD方法计算比较了这几种模型在漂角β(0,°10°)内与耦合运动有关的水动力性能及表面压力分布,计算表明低矮化、后缘流线型化的围壳能有效降低艇体水平转向时的横倾与纵倾幅度,为潜艇指挥室围壳的外形优化设计提供参考.     

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.     

潜艇伴流场对螺旋桨激振力的影响北大核心CSCD

[目的]潜艇附体结构会显著影响桨盘面处的伴流场,进而影响螺旋桨的激振力特性。掌握伴流场特性对激振力的影响规律有助于潜艇和螺旋桨低激振设计。[方法]基于Suboff潜艇模型和INSEAN E1619螺旋桨,采用RANS方法对不同附体伴流场下艇后螺旋桨的激振力进行数值模拟,并使用谐调分析方法对桨盘面处伴流场进行定量表征,然后再结合螺旋桨瞬态流场的分布特性,揭示线谱激振力的产生机理。[结果]结果显示,伴流场谐调分量各阶数的分布情况与单叶片激振力线谱的分布一致,且单叶片激振力主频处的相对幅值与七叶片螺旋桨基本相等;周向对称的艉舵对伴流场谐调分量的影响主要集中在4阶和8阶,对七叶螺旋桨激振力的影响较小;围壳影响伴流场各阶的谐调分量,对七叶螺旋桨激振力起主要作用。[结论]艉舵对激振力的影响小于围壳,为改善螺旋桨激振力特性,应重点对潜艇围壳进行优化。     

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。     

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。     

潜艇指挥室围壳——平台内的平台

新的潜艇指挥室围壳设计、建造和空间利用方法逐渐形成先进潜艇指挥室围壳的概念。在建造“弗吉尼亚”级潜艇过程中所开发的通用模块化桅杆构件和整体指挥室围壳设计成果可以应用到所有类型的潜艇上。     

带有消声瓦的潜艇耐压壳在流场中的阻尼振动和层间应力

在壳厚方向采用位移和应力插值函数,应用混合分层理论和壳体在流场中所受的流体动压力.推导带有消声瓦的潜艇耐压壳在流场中的动力学方程.采用迭代的方法求出潜艇耐压壳在流场中阻尼振动的解.在不同粘弹性材料弹性模量和厚度下.分别计算了潜艇耐压壳在流场中阻尼振动的一阶固有频率、结构损耗因子和层间横向应力的幅值.结果表明,随粘弹性材料弹性模量的增大,一阶固有频率和结构损耗因子增加,随粘弹性材料层厚度的增大,结构损耗因子增加.一阶固有频率减小.较高的层间法向正应力是造成潜艇消声瓦在流场中低频振动脱落的主要原因.采用较高模量和厚度的牯弹性阻尼材料将有效地降低潜艇耐压壳在流场中阻尼振动的层间应力的幅值.     

潜艇围壳舵受自由表面和波浪影响的试验研究

通过对潜艇围壳舵在静水自由表面和波浪中的模型试验研究及其分析以及对实艇舵能力的预报，探讨了潜艇围壳舵在近水面时的操艇能力。由于围壳舵在静水面的操艇能力的研究在国内尚属首次，因此试验数据难免会有一定的局限性。要对艇体近水面操纵性作全面评价，就必须对艇体各部分的水动力所受的影响作全面深入的研究。     

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.     

有限元法在指挥室围壳结构强度计算中的应用

由于潜艇指挥室围壳结构复杂，用常规的理论计算方法难以得出精确的数值解，为此采用有限元方法对指挥室围壳结构强度进行了计算。     

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。     

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.     

开孔围壳流激振动特性的试验与数值计算研究

对围壳模型进行试验与数值模拟,分析开孔对围壳流激振动特性的影响。首先进行无动力自由上浮试验,在试验中测得了一系列的振动加速度线谱,然后建立与试验相同的数值计算模型,采用大涡模拟法对围壳附近的流场进行了精细的模拟,并将流场的压力作为载荷,运用FEM/BEM结合的方法计算了围壳的流激振动。仿真结果表明,该方法可以清晰的模拟流激围壳振动现象,围壳开孔后会引起流场周期性振荡,从而激励结构振动,产生振动加速度线谱,数值方法计算的振动线谱频率和试验结果接近,平均误差为1.41%。流激开孔围壳振动集中在开孔的导边与随边,尤其是孔腔随边,对这些区域采取控制措施是下一步研究目标。     

开孔围壳流激振动特性的试验与数值计算研究

对围壳模型进行试验与数值模拟,分析开孔对围壳流激振动特性的影响.首先进行无动力自由上浮试验,在试验中测得了一系列的振动加速度线谱,然后建立与试验相同的数值计算模型,采用大涡模拟法对围壳附近的流场进行了精细的模拟,并将流场的压力作为载荷,运用FEM/BEM结合的方法计算了围壳的流激振动.仿真结果表明,该方法可以清晰的模拟流激围壳振动现象,围壳开孔后会引起流场周期性振荡,从而激励结构振动,产生振动加速度线谱,数值方法计算的振动线谱频率和试验结果接近,平均误差为1.41%.流激开孔围壳振动集中在开孔的导边与随边,尤其是孔腔随边,对这些区域采取控制措施是下一步研究目标.     

水下爆炸气泡脉动作用下细长加筋圆柱壳的鞭状响应分析

细长加筋圆柱壳是潜艇耐压壳体的主要结构,其在水下爆炸载荷之下发生的鞭状运动是潜艇结构破坏的主要因素之一.为了考察不同的因素对于细长加筋圆柱壳鞭状响应的影响,该文将圆柱壳简化为一根变截面的梁,用双重渐进近似法(DAA)描述了结构的动态变形与瞬态流场的耦合作用,从弯矩的角度的考察了水下爆炸第一次气泡脉动载荷对结构鞭状响应的贡献,总结了圆柱壳上的弯矩随潜深,爆距,爆炸方位角变化的规律.研究结果有助于进一步了解水下爆炸作用下潜艇的鞭状动响应特征,并用以改进潜艇的抗冲击设计.     

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。