潜艇新型整流方法的设计与试验研究

潜艇桨盘面处伴流的不均匀性是造成潜艇螺旋桨在旋转过程中产生振动和噪声的重要原因。分析了潜艇桨盘面伴流场,认为潜艇马蹄涡是影响伴流不均匀性的关键因素。基于对潜艇马蹄涡产生机理的分析,提出运用整流片来削弱马蹄涡的影响、降低潜艇桨盘面伴流不均匀性的尾流控制方法。开展了潜艇模型尾部伴流风洞测量试验,试验结果显示整流片能够使潜艇桨盘面伴流不均匀性下降30%至50%,证明了整流片的尾流控制效果,展现了整流片广阔的工程应用前景。     

用雷诺应力模型预报不同雷诺数下的潜艇绕流

文章采用求解RANS方程的方法,结合五种湍流模型(κ-ε、RNG κ-ε、κ-ω、SST κ-ω、RSM),预报了SUB-OFF潜艇模型两种附体状态下(裸艇体+围壳、裸艇体+尾翼)的尾流场,也预报了SubB潜艇模型全附体状态下的尾流场,并与试验结果进行了对比分析,比较了五种湍流模型的计算精度,结果表明雷诺应力模型(RSM)预报的尾流场与试验最为接近.然后,利用CFD方法探讨了雷诺数对SUBOFF潜艇绕流影响的问题.计算了SUBOFF潜艇在不同雷诺数下的绕流,详细分析了尾流场轴向速度波动图、轴向速度等值线云图、边界层厚度和主附体接合部涡旋结构随雷诺数的变化.     

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。     

基于潜艇模型尾流湍流强度和耗散率的CFD模拟

优良的隐身性能使得潜艇具有强大的突防能力,因此,控制潜艇尾流信号特征对于提高潜艇隐身性能意义重大,这些信号特征主要包括尾部湍流强度、湍动能、湍流耗散率等。同时,优良的艇型对于抑制尾流信号特征、提高潜艇快速性和隐身性也具有重要意义。基于此,采用RANS方法计算SUBOFF潜艇主艇体艇型及6种改良艇型的艇体粘性绕流,将CFD方法用于分析艇体半径、艇艏长度、艇艉长度等参数对潜艇尾流信号特征的影响。计算结果显示：在SUBOFF潜艇主艇体艇型及其6种改良艇型的尾流场中,增加艇体半径有利于抑制远尾流场湍流信号特征,在近场则不利;增加艇艏长度能降低近尾流场湍流信号特征,在远场影响较小;增加艇艉长度在近、远尾流场均有利于降低其信号特征。     

基于三维动网格技术的潜艇热尾流浮升规律及水面温度特征研究

准确获得潜艇热尾流浮升、扩散规律及其水面温度分布特征是发展红外探潜技术的关键。本文基于动网格技术,建立潜艇水下航行三维计算模型,分别采用壁面法与VOF法对潜艇热尾流浮升过程进行仿真。研究获得了潜艇热尾流的浮升、扩散规律及其水面温度分布与红外识别特征。在此基础上,分析了不同冷却水排放方案下热尾流水面温度分布特征的变化规律,提出了抑制热尾流浮升、减弱水面温度特征的方法。本文研究结果可为下阶段的实验研究与测量提供一定理论基础。     

基于动网格技术的潜艇热尾流浮升规律研究

针对基于相对运动的"排水法",无法全面、准确地反映潜艇热尾流浮升扩散规律,建立基于动网格技术的潜艇水下航行的二维计算模型,利用流体计算软件Fluent对潜艇排放过程中的流动-传热过程进行数值模拟。采用网格重构和网格光顺方法结合Profile运动边界驱动机制实现网格区域运动,确保模型符合实际运动规律。研究动网格技术和"排水法"热尾流最大浮升高度沿流向分布情况,最大浮升高度和中心温度随时间的变化规律。研究结果表明:动网格技术对于潜艇航行过程中的热尾流浮升过程有较高的计算精度;模拟结果捕捉到了浮升过程中流动和传热的瞬时变化,揭示了热尾流浮升扩散的规律。研究结果进一步为潜艇红外特征研究提供了理论支持和方法思路。     

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。     

自动力潜艇热尾流水面热特性的实验研究

本文研究了实验水槽中自动力潜艇热尾流水面热特性,消除了除潜艇自身特征外其他拖动组件对热尾流扩散的影响,更加准确地再现了热尾流的扩散过程。通过热尾流温度分布预测了潜艇热尾流由热流区和冷热流混合区2个区组成,解释了2个区形成的过程,而热流区几乎全部由热流团组成,而且温度相对更高。红外热像仪拍摄的潜艇热尾流水面温度场分布图再次验证了热尾流水面热特性预测的正确性。本文对红外遥感探潜具有一定的参考价值。     

基于线导+尾流自导鱼雷制导技术的潜艇导引中机动航路

以进入尾流角最有利于鱼雷尾流自导装置对目标尾流的检测为优化目标,在对潜艇机动方向对鱼雷进入尾流时目标舷角和鱼雷进入尾流角影响进行分析的基础上,给出潜艇使用线导+尾流自导鱼雷攻击导引过程中的潜艇最优机动航向计算方法,并对其进行仿真验证。     

数值模拟不同艉翼型式在相应位置的潜艇尾流场

本文通过改变艉翼的型式及布置位置，对SUBOFF潜艇模型的尾流场进行了数值模拟计算。采用k—ω湍流模型，经求解RANS方程分别得到十字形艉翼、X形艉翼及其不同布置位置下的尾流场分布。通过对计算结果的比较，分析了艉翼型式及布置位置对潜艇尾流场的影响。     

自动力潜艇热尾流水面热特性的实验研究

本文研究了实验水槽中自动力潜艇热尾流水面热特性,消除了除潜艇自身特征外其他拖动组件对热尾流扩散的影响,更加准确地再现了热尾流的扩散过程.通过热尾流温度分布预测了潜艇热尾流由热流区和冷热流混合区2个区组成,解释了2个区形成的过程,而热流区几乎全部由热流团组成,而且温度相对更高.红外热像仪拍摄的潜艇热尾流水面温度场分布图再次验证了热尾流水面热特性预测的正确性.本文对红外遥感探潜具有一定的参考价值.     

基于重叠网格技术的潜艇热尾流在正负温度分层环境下的数值仿真

实际海洋环境中存在温度分层现象,研究其对于潜艇尾流浮升扩散的影响具有重要意义。本文基于重叠网格技术,建立潜艇热尾流三维模型,对潜艇尾流在正负温度分层环境的浮升扩散进行数值模拟,分析其浮升过程与海面红外特征,研究了温度分层的正负与梯度大小对于潜艇尾流的影响。结果表明：分层环境下,海面红外特征主要由潜艇运动引起的的海水扰动所导致;分层环境下海面红外特征相比均匀海水更为明显;分层环境对于冷却水浮升具有抑制作用,且抑制效果与温度梯度大小正相关;海面最大温差与温度分层梯度基本呈正比例关系。     

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.     

指挥台围壳对潜艇尾流影响的计算研究

基于RANS方程利用SSTκ-ω湍流模型计算潜艇尾流场.把围壳划分为进流段与去流段两部分,设计三种新型围壳,并进行数值模拟,采用系列分析方法对尾流品质进行评价.对接合部涡与围壳尾流沿艇体的发展进行了分析.研究表明:光顺过渡的前缘型式较为合理地改变了涡量在桨盘面的分布,有助于改善尾流,光顺过渡的顶部型线可有效抑制梢涡的发生.     

艇尾共翼型舵水动力和尾流场特征的数值计算研究

为了研究共翼和非共翼两种方式的舵翼操纵面在艇体影响下的水动力性能和尾流场品质,对SUBOFF潜艇标准模型的尾部水平操纵面分别进行了共翼型设计和非共翼型设计,并采用数值模拟方法,计算了两种操纵面产生的艇体水动力和尾流特征。对比分析结果表明:舵角小于10°时,采用共翼型舵的艇体俯仰力矩和潜艇总垂向力比非共翼型增大30%以上;舵角大于10°后,随着舵角增大水动力优势减小,25°舵角时水动力性能基本相当。共翼型舵能够明显消减舵翼结合部涡流,可以增大舵后尾流低速区流体的速度,提高潜艇尾流场品质。采用共翼型舵的尾操纵面设计方式,对于提高潜艇操纵性水动力、改善潜艇尾流区流场品质都能起到积极效果。     

带附体潜艇尾流场的数值模拟与验证

对美国DARPA潜艇模型SUBOFF尾流场进行了数值模拟,采用湍流模型k-ε、k-ω与壁面函数相结合,直接求解RANS方程,并将计算结果与试验结果进行了比较分析,验证了数值方法的可靠性。在此基础上将SUBOFF模型改变为“X”型尾翼,对其尾流场进行了数值模拟分析。     

光电探测在探潜方面的发展分析

针对目前探潜方面存在的问题已不能满足未来海上实战的需要，阐述了光电探测潜艇技术的优势及其必要性，分析了激光探潜技术存在的主要问题及解决方法，介绍了发展激光探潜的关键技术，激光器技术和接收技术，并作了红外探潜潜艇热尾流的可行性分析，研究了潜艇热尾流在不同流体环境中的浮升的差异以及水面热轨迹的大体形状，同时分析了目前的红外探测器件条件和红外探潜对红外器件的更高要求，最后分析了光电探潜技术未来的发展趋势。     

潜艇尾迹内波的实验研究

由于潜艇噪声越来越小,非声探潜技术显得越来越重要.实际海洋中存在温度和盐度梯度,水下航行的潜艇产生的扰动和尾流的坍塌会在海洋中产生内波.由于内波存在时间较长,频率范围大,其特征难以消除,所以内波容易被检测到.本文利用直流电导率检测技术,实验研究了潜艇尾迹内波产生的特点和规律,得出了潜艇尾迹内波与分层流梯度的关系和尾迹内波随时间和空间的衰减规律.在线性分层中内波信号在Nt大约为40时还可以检测到.潜艇尾迹内波在空间上可检测到的区域接近椭圆形.实验研究表明利用直流电导率法检测水下潜艇的尾流和内波是可行的.     

源于水动力学的潜艇尾迹非声探测技术研究之进展

伯努利“水丘”、开尔文尾流、涡尾迹、内波尾迹都起源于潜艇水动力学，对于潜艇的非声探测具有重要的应用意义。本文对国内外此方面的研究与应用状况作了介绍。