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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

潜艇水上指挥部位大开口启闭盖装置研究

本文论述了潜艇指挥台围壳顶部大开口启闭盖装置对控制潜艇水动力噪声的重要性。以水上指挥部位大开口启闭盖装置上例，介绍了两个启闭方案及其装置设计。通过样机研制和试验，证明两个设计方案合理可行，为实艇应用奠定了技术和工程基础。     

潜艇含指挥台附体区域周围粘性流场的多块耦合计算

本文将作者先期发展的复杂流场多块耦地潜艇含指挥台附体区域周围粘性流场进行了计算。对由于指挥台而造成的潜艇后体不均匀流场作了较成功的数值模拟，为潜艇后体流场及尾流场的试验研究和理论计算打下了良好的基础。     

分层流中附体对潜航体尾迹频谱特性影响研究

海洋流场密度因温度和盐度的不均匀变化具有垂向分层现象,合成孔径雷达(SAR)检测潜航体在分层流中运动的海表特征呈现较大差异的功率谱特性。基于海洋遥感中的频谱分析方法,利用CFD仿真技术手段,模拟不同潜航体模型在分层流中的运动情况,运用快速傅里叶变化进一步处理二维波高信号,深入探究了潜航体的附体对流场内界面和自由表面的影响。研究表明:基于频谱分析法的尾迹特性研究能有效揭示不同频率成分对界面粗糙度的影响,能够有效定义和区分潜航体附体造成自由表面辐聚辐散效应的差异;在航速、潜深和分层模式等相同时,尾舵对尾流场具有一定的优化效果,指挥台围壳是影响海表尾迹的主要因素。     

潜艇围壳流场效应利用的新途径

用试验测定了潜艇围壳流场的压力分布，提出将通常设置在围壳尾缘处的柴油机排气口改在潜艇围壳流场的负压区，以提高潜艇在通气管状态下柴油机的功率，降低燃油消耗率、排温和噪声等。     

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.     

轴流式涡轮增压器涡轮排气道气动特性的研究

本文对轴流式涡轮排气道的气动性能及吹风试验结果进行了分析。从一系列的试验结果中可以看出,在涡轮排气道中采用轴径向式扩压器来组织气流,可以明显降低排气道的损失。本文还就在增压器上应用轴径向式扩压器的情况作了介绍。这一研究成果有一定的实用价值,特别是在涡轮排气壳结构不变的前提下,在排气壳内加装合适的扩压器即可提高增压器效率,这为使用中的增压器的技术改造提供了依据。     

潜艇的三维厚边界层研究

建立了三维湍流边界层及尾流的动量积分方程,通过算例将计算结果与Gadd的结果进行比较和分析,验证了该方法的可靠性.在潜艇的粘性边界层计算过程中,应用了在势流理论基础上建立起来的艇体表面流线坐标系,对潜艇周围的三维厚边界层进行研究,得到了潜艇边界层及尾流的特征参数,给出了附体(围壳和尾翼)对特征参数的影响.在考虑排挤影响后,艇体采用等价源方法而尾流采用等价假想体法,通过势流计算得到潜艇表面的压力分布.     

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。     

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.     

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.     

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.     

潜艇上二阶波浪力的考察

本文从公开发表的资料中选取了一典型潜艇，利用二阶波浪力的切片理论计算其在近水面航行时受到的二阶定常力和倍频力，考察了它们的随浪向、潜深及入射波频率变化的规律，特别考察了附体（首舵、尾舵及指挥台）的潜艇所受二阶波浪力的影响。对潜艇设计和航态控制有积极的指导意义。