潜艇X舵的布局优化

焦玉超，肖昌润

(海军工程大学 舰船工程系， 武汉　430033)

尾舵对于潜艇的性能具有很大的影响，因此，专门对尾舵进行研究很有必要。尾舵有不同形式，目前应用最为广泛的是“十”字型尾舵，除此之外还有其他舵型，比如：“米”字型、H型、T型、“木”字型及X型等[1]。近年来，很多国家注意到了X舵的诸多优点，对其进行了研究与应用实践，虽然X舵相比于“十”字舵应用并不是十分广泛，但是具有广阔的应用前景。X舵与“十”字舵各有千秋，很难说到底哪种舵型更具有优势。目前普遍认为X舵就是四个尾翼呈X形正交分布，舵轴中心线与艇的纵中对称面成±45°夹角的操纵面[2]。但是对于其他角度的X形尾舵的了解却不够，为了更加深入了解X舵的分开角度对潜艇性能的影响，对带有20°、30°、45°、60°4种X形尾舵的潜艇阻力进行数值模拟，本文用到的计算方法和得出的结论对推动X舵的发展大大有利。

1　计算模型

计算模型为带指挥台围壳的潜艇模型。由于Solidworks建模软件建立三维模型具有突出的优势，选择用Solidworks软件建立潜艇的几何模型。为方便模型的建立，把坐标原点选在潜艇模型的首端。由于潜艇附体较多，其中包括尾翼、指挥台围壳以及指挥台围壳舵[3]，采用主艇体与附体分开建模的方式，最后应用Solidworks建模软件中的装配体功能实现主艇体与每个附体的结合。建立主艇体时，要注意主艇体外形曲线所取点的数量，保证主艇体外形的曲率要求，在平行中体部分可以适当减少取点的数量，在艇首与艇尾曲率变化大的地方加密取点，保证艇体外形的准确。建立各个附体时，更要注意保证点的密集度，虽然附体的几何尺寸相对于主艇体来说较小，但是所起的作用很大，本文主要研究附体对潜艇水动力性能的影响，因此保证附体的线型准确十分必要[4]。附体与主艇体的几何模型建好后，进行装配，装配要保证每个附体装配位置准确。定义X舵的四个舵分别定义为1′，2′，3′，4′号舵，示意图如图1。

保持尾舵沿艇体纵向位置不变，改变尾舵和主艇体中纵剖面的夹角[5]，分别取20°、30°、45°、60°。不同角度的X舵结构，示意如图2、图3、图4和图5。

图2　20°X舵图3　30°X舵

图4　45°X舵图5　60°X舵

20°X舵、30°X舵、45°X舵、60°X舵潜艇几何模型尾部细节如图6、图7、图8和图9所示。

2　计算域设置、边界条件设定及网格划分

湍流模型选择标准k-ε湍流模型；计算域设置为长方体区域[6]：速度入口在艇首向前1倍艇长，压力出口在艇尾向后2倍艇长，其余四个边界都取距离艇体中心线1倍艇长，如图10所示。

设定进口处为速度入口边界条件，来流速度取U0=1.15、1.65、2.57、4.63、6.68和10.28m/s，出口处为压力出口边界条件，设置为0 Pa，除速度入口和压力出口这两个边界外，其余四个边界为壁面边界条件，且满足任意滑移条件，艇体表面为壁面无滑移边界条件[7]。划分网格时，保证主艇体与各附体的连接处网格密度足够，在此位置处适当加密。由于本节重点研究X舵的布置方式对潜艇水动力的影响[8]，因此需要对操纵面网格进行适当加密，保证模型的网格分布较为均匀，网格数量在350万左右[9]。不同X舵角度的潜艇模型网格以及尾舵网格如图11～图18所示。

3　计算结果与分析

通过对不同尾舵形式的潜艇在U0=1.15、1.65、2.57、4.63、6.68和10.28 m/s下进行纵向直航的数值模拟，得到的摩擦阻力曲线、粘压阻力曲线和总阻力曲线如图19～图21所示。

根据图19～图21可以得出如下结论：

(1)4种X形尾舵潜艇的摩擦阻力几乎完全相同，说明虽然尾舵形式改变了，但是由于湿表面积相同，因此摩擦阻力也相同；

(2)4种X形尾舵潜艇的粘压阻力出现差异，在相同速度下，20°X舵潜艇粘压阻力最大，45°X舵潜艇粘压阻力最小，30°和60°X舵潜艇粘压阻力近似相等；

(3)对于总阻力，在相同速度下，45°X舵潜艇总阻力最小。

4种X形尾舵潜艇在速度为6.68 m/s时的尾部流场分布云图如图22～图25。

4种X形尾舵潜艇在速度为6.68 m/s时的艇体压力分布云图如图26～图29。

由流场分布可以看出，45°X舵潜艇的尾流场分布比较均匀，这也是由于45°X舵潜艇的粘压阻力较小，同时还有利于提高螺旋桨的推进效率[10]。

通过监测艇体表面两条曲线的压力，分析不同角度的X舵对潜艇表面压力场的影响[11]，其中位于潜艇右舷的105°和165°曲线(0°对应十字舵的上垂直翼，180°对应下垂直翼)的压力分布如图30和图31所示。

根据四种不同角度X舵潜艇模型在航速为6.68 m/s时的压力分布云图和位于潜艇右舷的105°和165°曲线的压力分布图可知：X舵布置方式的改变对艇体表面压力的影响主要体现在尾部，对尾部以外的压力场基本没有影响。其中45°X舵更有利于尾部压力场均匀[12]，使潜艇表面的压力可以较好地光顺过渡，没有大的压力突变。综合分析可知45°X舵潜艇的水动力性能更优良。

4　结论

通过对带有20°、30°、45°、60°4种X形尾舵的潜艇阻力进行数值模拟，得出45°X舵潜艇总阻力最小，更有利于潜艇的快速性和改善潜艇尾部流场。

参考文献：

[1]蓝白,李柯.潜艇舵面设计分歧[J].兵器知识,2011(4):16-19.

[2]施生达,王京齐.潜艇操纵面的建筑形式评述[J].海军工程大学学报,1995(1).

[3]罗伊·伯切尔,等.潜艇设计基本原则[M].1994.

[4]哈里 杰克逊.美国“大青花鱼”号潜艇对潜艇设计的影响[C].4Th伦敦国际潜艇会议文集.伦敦：1993.

[5]冯德生.潜艇“X”舵发展概况和瑞典“X”舵的研究应用简述[R].1990.

[6]胡坤,宗方勇,庞晓楠.X舵潜艇等效舵角转换装置设计研究[J].船海工程,2003(6):19-21.

[7]方新洲.日潜艇将装备“X型尾舵”[J].航海,2004(1):37-37.

[8]王京齐,李亚楠.潜艇X型尾操纵面的操纵特性[J].船海工程,2006,35(2):1-3.

[9]胡坤,徐亦凡,王树宗.潜艇X舵发展概况及其操纵控制特性分析[J].中国造船,2007,48(2):130-136.

[10] 赵峰,周连第.潜艇CFD高技术研究的进展与展望[J].舰船力学情报,1995(3):55-58.

[11] 詹成胜,刘祖源,程细得.潜艇水动力系数数值计算[J].船海工程,2008,37(3):1-4.

[12] 邱辽原.潜艇粘性流场的数值模拟及其阻力预报的方法研究[D].武汉：华中科技大学,2006.