潜艇近水面航行自由液面干扰效应数值研究

针对潜艇近水面航行艇体水动力呈现显著变化的问题,本文在验证数值计算方法可行性的基础上,开展不同潜深及航速下潜艇粘性流场的数值模拟,获取艇体阻力、垂向力及纵倾力矩随水深及航速的变化规律。模拟结果表明:潜深是影响潜艇近水面与深水状态水动力性能差异的决定性因素,当潜深与艇体直径的比值H/D≤1.3时,近水面效应显著;而当H/D≥2.9时,可认为潜艇水动力性能与深水状态无显著差异;近自由液面条件下(H/D≤1.3),潜艇所受阻力及垂向力系数随航速的增大均呈现明显波动现象,这主要是由于自由面的兴波干扰使得艇体表面压力变化所引起。     

潜艇近水面航行兴波特征研究

潜艇作为一种水下航行器,其近水面运动时产生的绕流场远比无界直航运动时要复杂得多,其近水面航行时对自由液面的影响不容忽视。本文采用粘性流体力学计算方法,对SUBOFF潜艇近水面航行时的粘性绕流场进行模拟,对自由液面的兴波进行计算,并对波形特点进行深入分析。通过本文的研究,得到潜艇近水面航行时自由液面兴波的特点和相关规律。     

潜艇近水面航行兴波特征研究

潜艇作为一种水下航行器，其近水面运动时产生的绕流场远比无界直航运动时要复杂得多，其近水面航行时对自由液面的影响不容忽视。本文采用粘性流体力学计算方法，对SUBOFF潜艇近水面航行时的粘性绕流场进行模拟，对自由液面的兴波进行计算，并对波形特点进行深入分析。通过本文的研究，得到潜艇近水面航行时自由液面兴波的特点和相关规律。     

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。     

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。     

电磁力控制翼型三维绕流场特性的数值研究

在弦长雷诺数Re_L=2.97×10~6下,采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下翼型绕流场特性进行了数值模拟,研究了电磁力作用控制翼型失速攻角时绕流场中三维流动特性及失速问题的规律和机理。结果表明:电磁力作用可有效改善翼型周围的流场结构,显著减小翼型绕流场三维特性,并使翼型表面流体动能增加,当电磁力作用足够大时,其表面涡量转变为正向涡量。同时,电磁力作用可增加翼型升力,减小阻力,显著减小升阻力脉动特性,提高翼型升阻比,还可以显著延缓翼型失速特性,增加失速攻角,提高工作性能。     

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.     

一种适用于大方形系数半滑行艇的浅槽消波艇型和阻力的试验研究

研究适用于大方形系数半滑行艇的浅槽消波艇型,在常规尖舭方艉艇型的基础上进行改进设计,在艇底部设计了一个从艏部至舯部的浅槽道,以改善阻力与兴波性能。开展了该新型浅槽消波艇型与常规艇型性能的对比试验研究,分析了艇体周围流场、艏、艉兴波、航行姿态及阻力的试验结果,表明新型浅槽消波艇型具有艏艉兴波小、艇体阻力低等特点。     

不同雷诺数下带复杂齿条弦杆的绕流流场分析

带有复杂齿条结构的弦杆是自升式平台桁架式桩腿的核心结构,也是保证整座平台结构安全稳定的关键结构。弦杆环境载荷的计算通常采用半理论半经验的方法,鲜有针对此类钝体的流场机理进行研究。基于NS控制方程,选取适合具有较大压力梯度的RNG k-ε模型研究弦杆绕流流场,对不同雷诺数、不同流向下的二维弦杆绕流流场进行数值模拟,研究带复杂齿条结构的弦杆绕流流场特性,包括尾流流场形式、升阻力系数,以及漩涡脱落频率随Re的变化规律。研究结果表明:带复杂齿条弦杆的绕流流场与圆柱形结构的绕流流场有较大的区别,且弦杆齿条与来流方向的夹角不同时,其尾流流场差异较大;在较高Re下,当流向角为90°时,弦杆的尾流负压区和尾涡区域均变大,水动力系数也增加。对弦杆绕流流场的研究分析,为弦杆环境载荷的计算、保证自升式平台的安全性提供了理论支撑。     

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.     

一种潜艇近水面的Havelock源面元法（英文）

A panel method is described for calculating potential flow around near-surface submarines. The method uses Havelock sources which automatically satisfy the linearized free-surface boundary condition. Outputs from the method include pressure field, pressure drag, wave resistance, vertical force, trim moment and wave pattern. Comparisons are made with model tests for wave resistance of Series 58 and DARPA SUBOFF hulls, as well as with wave resistance, lift force and trim moment of three length-to-diameter variants of the DSTO Joubert submarine hull. It is found that the Havelock source panel method is capable of determining with reasonable accuracy wave resistance, vertical force and trim moment for submarine hulls. Further experimental data are required in order to assess the accuracy of the method for pressure field and wave pattern prediction. The method is implemented in the computer code "Hull Wave" and offers potential advantages over RANS-CFD codes in terms of speed, simplicity and robustness.     

A havelock source panel method for near-surface submarines

A panel method is described for calculating potential flow around near-surface submarines. The method uses Havelock sources which automatically satisfy the linearized free-surface boundary condition. Outputs from the method include pressure field, pressure drag, wave resistance, vertical force, trim moment and wave pattern. Comparisons are made with model tests for wave resistance of Series 58 and DARPA SUBOFF hulls, as well as with wave resistance, lift force and trim moment of three length-to-diameter variants of the DSTO Joubert submarine hull. It is found that the Havelock source panel method is capable of determining with reasonable accuracy wave resistance, vertical force and trim moment for submarine hulls. Further experimental data are required in order to assess the accuracy of the method for pressure field and wave pattern prediction. The method is implemented in the computer code “HullWave” and offers potential advantages over RANS-CFD codes in terms of speed, simplicity and robustness.     

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.     

A finite pointset method for the numerical simulation of free surface flow around a ship

In this paper, we present a Finite pointset method (FPM) for the numerical simulation of free surface flow around a ship in calm water. It is a Lagrangian and meshless particle scheme which is applied to the projection method for the incompressible governing equations. This requires the solution of Poisson problems in each time step, so a moving least squares (MLS) interpolants is used for the spatial derivatives in order to discretize the Poisson equation with pressure-Dirichlet condition of free surface flow in meshless structure. Meanwhile, an additional problem of the periodic particle locations redistribution in the present approach is still handled by MLS interpolants. With the proposed FPM technique, problems associated with the free surface flow around a ship are circumvented. A verification of numerical modeling is made using the Wigley hull and the validity of the proposed methodology is examined by comparing the detail of wave profile and wave-making resistance with Series 60 model. The results demonstrate that FPM is able to perform efficient and stable simulations of free surface flow around a ship.     

多块结构化网格在含附体水面船模粘性流场数值计算中的应用

本文使用RANS方程和剪切应力输运k-ω模型求解含附体的水面船舶粘性流场.整个计算域被分成很多区块,各个区块单独生成结构化网格,在包含不同附体部件的区块之间,网格是不匹配的,交界面处各流场变量由插值计算传递.计算中没有考虑自由液面的影响.从最后计算得到的桨盘面伴流分布结果来看,数值计算较好地反映了桨盘面流场的特征.