潜艇指挥室围壳顶部型线构型

杜 波 黄建伟 陈 源

武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064

潜艇指挥室围壳顶部型线构型

杜 波 黄建伟 陈 源

武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064

采用求解RANS方程的数值计算方法，运用计算流体力学数值计算手段，对不同的指挥室围壳顶部外型进行阻力、流场、压力分布数值模拟及数值优化分析，并验证了数值计算方法的可靠性。

CFD 潜艇 围壳顶部型线 数值优化

潜艇指挥室围壳是潜艇标志性的结构，是现代潜艇执行水面航行、离靠码头、收发信息、实施观测和指挥的重要部位，它包括耐压指挥台、通讯室、多种升降装置、水面航行操纵和指挥部位等。围壳作为潜艇的最大附体，它将对艇体阻力、水动力噪声以及艇的水下操纵特性带来较大影响，尤其是围壳的尾流将影响艇体尾部推进器处伴流场的均匀性和稳定性，进而增加推进器的噪声。因此尽力减小围壳尺寸，优化围壳型线，减少围壳带来的不利影响，是各国潜艇设计者追求的目标。

指挥室围壳的型线，与周围流场湍流脉动压力分布和尾涡发放的特性有关。从水动力原理研究出发，指挥室围壳型线研究主要分为围壳外形和围壳与艇体的连接形式两个方面。因为围壳外形尤其是前缘曲率半径和最大厚度的位置对围壳本身的流噪声和马蹄形涡的大小、强度和位置都有影响。而围壳与艇体的连接形式主要是对围壳前缘流动分离现象和抑制马蹄形涡的形成有影响［1］。

基于RANS方程中的RNGk—ε湍流模型［2-3］，分析3种不同围壳顶部型线阻力及周围流场进行数值模拟，并与试验结果吻合较好。

1 数学模型

1．1 控制方程

不可压缩流体连续性方程与RANS方程的张量形式为

式中：ρ——流体密度；

μ——流体的动力粘度；

¯ui——时均速度；

ui′——脉动速度；

¯Fi——体积力；

ρui′uj′——雷诺应力张量。

1．2 湍流模型

比较实用的湍流模型是标准k—ε模型和雷诺应力模型，根据大量计算实验验证，对于全附体潜艇，采用RNGk—ε湍流模型［3］。

1．3 研究对象和计算域

1．3．1 模型尺寸

总长度L＝4．51 m， 围壳宽度b＝0．11 m，最大宽度B＝0．45 m，围壳高度h＝0．26 m，围壳长度l＝0．66 m，围壳距艇首＝0．94 m。

坐标轴在艇首中部，x沿艇长方向，y沿艇宽方向，z沿艇高方向。

求解区域为一圆柱体，进口至首部的距离设为6L，上下边界至主体水平对称轴线距离为22B，出口至尾部距离设为11L，此时出口对内部流场影响甚微，可视为无穷远压力出口。一般三维几何体外流场的计算采用逐层加密网格，本研究采用两层圆柱加密区域，内层圆柱网格尺度为2 000，外层圆柱网格尺度为20 000，总网格数为109万，形式为多块非结构化网格。流域及其网格划分见图1、2。

图1 潜艇计算流域图

图2 对称面上潜艇围壳附近网格图

1．3．2 边界条件

1）入口处速度为无穷远处来流速度；

2）压力出口为无穷远处压力；

3）壁面为潜艇外表面，速度为零；

4）对称面：无漂角时，法向速度为零，物理量在对称面的法向梯度为零。

1．4 数值计算方法

采用有限体积法离散控制方程和湍动能方程，采用SIMPLE方法进行压力场和速度场的耦合，对流项和离散项的离散采用二阶迎风差分格式。

2 指挥室围壳顶部型线优化设计

为集中考察不同指挥室围壳顶部型线对其阻力及其流场的影响，设计了3种方案不同形式的过渡方式，每种方式保持围壳顶部型线指挥室围壳主尺度不变，顶部过渡方式不影响总体布置。

2．1 方案1

采用直角连接，无任何过渡方式，见图3。

图3 围壳顶部方案1

2．2 方案2

首部和侧面均采用R＝400 mm的圆弧过渡，见图4。

图4 围壳顶部方案2

2．3 方案3

围壳首部采用曲线连接过渡，顶部采用光顺曲面，见图5。

图5 围壳顶部方案3

漂角β＝0°，各个方案阻力计算结果见表1。

表1 3种方案在β＝0°的阻力计算值

其中，第3种方案为试验方案，试验阻力系数为0．324×10—3，阻力计算值与试验值的相对误差在3．0%之内，充分说明了数值计算方法的可靠性。

阻力系数Ct为

式中：R——总阻力；

s——湿表面积；

v——速度。

雷诺数Re为

式中：L——艇长；

ν——水的运动粘度。

式中：n——方案2、3的阻力系数，n＝2，3；

R1——方案1的阻力系数，下类似。

漂角β＝5°，攻角为0，此时将艇体沿z轴旋转5°，其流域和边界条件均不变。各个方案水动力计算结果见表2。

表2 3种方案在β＝5°的水动力计算值

表中围壳纵、横向水动力系数X′、Y′为

式中：Fx、Fy——艇体受到的横向力、纵向力；

L——艇长。

从表2中计算结果可以看出，针对该型模型艇，有漂角时，指挥室围壳顶部采用圆弧过渡，可以明显降低围壳横向力和纵向力。无漂角时，阻力也可明显降低。

为了探讨纵向力降低原因，从指挥室围壳纵剖面上的速度矢量分布入手，β＝5°，见图6、7、8。

图6 方案1围壳对称面x方向速度矢量及压力分布图

图7 方案2围壳对称面x方向速度矢量及压力分布图

图8 方案3围壳对称面x方向速度矢量及压力分布图

从图6、7、8中可以看出，方案1顶部有明显的流动分离旋涡，造成流动分离旋涡的原因是由于存在逆压梯度［4］。方案2和3顶部速度矢量及其压力分布明显要均匀些；方案3分布最均匀，其最低负压值也大大减小，基本上抑制了旋涡，有利于减小围壳顶部的形状阻力。

有无漂角工况下，各个方案围壳上的压力云图及对称面上艇体型线上压力系数分布的规律是一致的，见图9、10、11，β＝0°。

图9 方案1围壳压力系数分布曲线图

图10 方案2围壳压力系数分布曲线图

方案1围壳前缘区域由前缘处的高压区迅速过渡到顶部的一个方形低压区，该区域压力变化剧烈，易产生水动力噪声；方案2围壳前缘区域压力变化略微平缓，方案3比前两种方案要平缓的多，可以减小该部位的水动力噪声［1］。因此，方案3不论从阻力还是水动力噪声方面，均是最优的。

图11 方案3围壳压力系数分布曲线图

3 结束语

运用商业软件FLUENT对某潜艇模型的阻力、压力、速度场进行了粘性数值模拟，验证了数值计算方法的可靠性，对该型潜艇指挥室围壳的线型进行了数值优化研究，合适的指挥室围壳可以降低潜艇形状阻力和水动力噪声，在潜艇设计应用方面有重要的指导意义。

［1］俞孟萨．治理潜艇指挥台围壳噪声的一些设想［J］．舰船性能研究，1994，6（3）：54-59．

［2］WU Bao-shan，PAN Zi-ying，XIA Xian，HONG Fangwen．Investagation of The Hydrodynamic Characteristics of Boby of Revolution with Stern Ring-wing［J］．Journal of Ship Mechanics，2003，7（6）：54-59．

［3］张 楠，沈泓萃，姚惠之．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［J］．船舶力学，2005，9（1）：1-13．

［4］潘子英，吴宝山，沈泓萃．CFD在潜艇操纵性水动力工程预报中的应用研究［J］．船舶力学，2004，8（5）：42-51．

Optimal design of the top form of submarine sail

DU Bo HUANG Jian-wei CHEN Yuan
Wuhan Second Ship Design and Research Institute Wuhan 430064

The FLUENT software was used to solve the RANSequation numerically，in order to analyze the resistance，flow field and pressure distribution for different top form of submarine sail．The numerical optimization analysis is carried out also．The results can be used in the design of top form of submarine sail．

CFD submarine top form of sail numerical optimization

U661．1

A

1671-7953（2007）02-0107-04

2006-09-15

修回日期2006-10-27

杜 波（1979—），男，硕士生。