潜艇操纵性预报研究现状与前景展望

计算流体力学的快速发展及试验测试技术的不断提高,为潜艇水动力性能评估提供了更为广阔的平台,丰富了潜艇操纵性研究体系,预报方法趋于精准、多样、高效。基于该现状,文章对近年来潜艇操纵性预报的相关资料进行了梳理,系统总结了国内外在潜艇自航模试验、基于水动力系数数值仿真及粘流CFD直接数值模拟等方面的最新研究进展,分析了当前制约潜艇操纵性预报效率的主要因素,阐述了该研究领域的前景与方向。     

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。     

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。     

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.     

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PMM实验的CFD仿真技术研究

操纵性是现代潜艇最重要的总体性能之一.为预报潜艇的操纵性能,需求得所有的水动力导数.借助CFD技术和动网格技术数值模拟小振幅平面运动机构试验,求解了SUBOFF主艇体的水动力导数,并与混合分布法计算的附加质量项作了比较,二者符合良好,从而验证了方法的有效性.流场的求解基于RANS方程和RNG k-ε湍流模型,动网格的处理采用Hrvoje Jasak和Zeljko Tukovic的方法,压力和速度的耦合采用PIMPLE方法解耦.流场的控制方程采用有限体积法离散且分离式求解,网格运动的控制方程采用有限元方法离散,网格的分裂采用体和面同时分裂法.     

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.     

尾附体形式对潜艇操纵性的影响研究

分析了十字型尾、T字型尾和木字型尾三种尾操纵面布局形式对潜艇操纵性的影响，指出了潜艇配备三种尾型的优劣，并分别进行了数值预报。     

消息报导

▲船标会操纵性分组及船舶操纵性学组于1985年5月8日至13日在挂林市召开了专题工作会议。有来自20个单位的31名代表参加了会议。中国造船工程学会理事于省身同志出席了会议,船舶操纵性学组组长万廷镫、副组长范尚雍同志分别主持了会议。会议初审了“船舶操纵运动数学模型”、“海洋船舶操纵性标准”、“Mariner操纵性标模比测试验”及“潜艇水平面操纵性设计计算”等四篇标准化文件。会上,周昭明同志介绍了“操纵性预报”专题的进展情况。大会后,举行了操纵性学组工作会议,研究了今后的工作安排。决定于     

潜艇艉水平翼如端板的操纵性设计预报研究

潜艇艉水平稳定翼加断板（Ｈ型艉布局）可以显著地提高其垂直面的运动稳定性和机动性,从而也可以缓解水平翼超宽问题,因而该布局在新型潜艇的设计中受到青睐。本文对Ｒｉｌｅｙ＾「１」机翼端板的系列试验和Ｄｅｍｐｓｅｙ＾「３」潜艇艉水平翼的系列试验的数据进行了重新分析,提出了稳定翼有效展弦比的概念,并基于此概念,提出了一套简洁完整的半经验计算方法,可用于潜艇Ｈ型艉布局的操纵性设计和预报。与实际艇型试验结果的比     

舵对螺旋桨线谱噪声的影响

为比较不同舵形状时潜艇螺旋桨的线谱噪声变化规律,建立非均匀流场中螺旋桨线谱噪声的频域预报方法,通过CFD方法数值模拟X形舵和十字舵潜艇的非均匀速度场,对两种流场条件下七叶侧斜桨的辐射线谱噪声进行数值预报。结果表明,X形舵潜艇所产生的线谱噪声幅值比十字舵时要大,尤其体现在高阶叶频处。     

基于CFD的水下滑翔机水动力导数计算

水动力导数求解是进行水下滑翔机操纵性能分析的基础,为了快速预报水下滑翔机的操纵性能,开展基于CFD方法的水下滑翔机水动力导数计算研究。选用约束模型试验作为水动力导数求解方法,并给出其CFD数值模拟方法;以SUBOFF潜艇模型为例,进行约束模型试验的CFD数值仿真和水动力导数计算。计算结果表明,CFD数值模拟方法可用于水下潜器的水动力导数计算。采用CFD方法对水下滑翔机的斜航试验、纯横荡和纯首摇运动进行数值模拟,并利用最小二乘法拟合仿真数据得到水下滑翔机的水动力导数,为操纵性能分析提供支撑。     

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。     

潜艇斜航工况下操舵水动力及绕流场数值研究

潜艇大舵角状态下的水动力性能与潜艇大机动状态下的操纵性能之间存在密切联系,基于STARCCM+中的RANS与DES求解器开展SUBOFF潜艇斜航工况下操舵水动力及绕流场数值预报研究,分析不同数值方法获得的潜艇纵向力、横向力、转首力矩以及潜艇绕流场随舵角的变化规律,以及相应的泄出涡系结构、流线分布和压力分布,揭示了潜艇操纵工况下水动力性能与绕流场间的内在联系。研究表明,DES方法在潜艇操纵工况下的水动力性能预报及流场细节捕捉方面优势明显,验证了其在研究潜艇大机动状态操纵性能方面的有效性。