电磁力对潜艇绕流流场局部扰动优化效果

张 菲, 刘宗凯, 周本谋, 李俊伟



电磁力对潜艇绕流流场局部扰动优化效果

张 菲1, 刘宗凯2, 周本谋1, 李俊伟1

(1. 南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室, 江苏 南京, 210094; 2. 南京理工大学 先进发射协同创新中心, 江苏 南京, 210094)

潜艇水下航行时, 由于流体粘性的存在导致流动分离、壁面边界层转捩等问题, 使得潜艇阻力增大,产生了大量的涡并伴随有涡的不规则脱落。文中基于粘性不可压Navier-Stokes控制方程, 使用有限体积法对=107潜艇流场进行数值仿真, 分析不同作用系数的电磁力分别施加于=1,=2,=3情况下的潜艇绕流流场结构和受力变化。结果表明, 当作用电磁力系数=1.5的电磁力施加于半球艏部与中体艇身交界处(=1,=1.5)时, 艇身的涡结构被有效抑制, 对围壳顶盖的控制(=2,=1.5)则可以有效抑制涡脱落现象, 同时阻力下降最多。由此可知, 合理利用适当的电磁力控制围壳边界层的流动能有效抑制不规则涡的产生及其脱落, 减少流噪声, 有助于提高潜艇的隐蔽性及动力性能。文中研究可为进一步研究优化潜艇流场问题提供参考。

潜艇; 绕流流场; 电磁力; 涡

0 引言

潜艇在水下高速行进时会产生流动分离、边界层转捩及大尺度涡脱落等复杂的流场结构, 水介质与潜艇产生了相互运动而形成绕潜艇流动的流场, 这种相互作用及水介质内部湍流引起的水动力噪声(无流动诱发的结构共振发声水动力噪声也称为流噪声), 主要是固体与流体的相对运动及流体自身的不规则运动, 激起流体内部应力和压力扰动, 扰动在介质内的传递即为水动力噪声, 严重影响航行器隐身性能。

国内外许多科研机构的研究人员都对水下潜艇的流场进行了大量的研究工作。如Chase等[1]计算了E1619型潜艇螺旋桨, 得出螺旋桨开水曲线并与实验曲线进行了对比。Shariati等[2]分析潜艇航行时由于流体的粘性, 来流与潜艇附体相互作用, 附体增加了艇身整体所受的阻力。Chen等[3]则是从声学特定角度分析了水翼和Suboff裸艇体水下湍流流场结构, 模拟显示出噪声源的分布。

对潜艇进行多方面研究的目的都是为了改善其航行动力性能, 提高隐蔽性。随着科技的进步, 电磁流动控制也运用到相关研究中[4-5], 利用电磁力控制物体壁面附近边界层的流动情况, 可影响整个绕流流场结构。将电磁激活板包覆于钝体表面, 可在钝体表面附近的流体边界层内形成壁面法向呈指数衰减的电磁体积力。如果形成的电磁力方向平行于流体运动方向, 可使流体加速, 从而抑制边界层分离、消除涡街, 达到减阻的目的[6-9]。文中运用电磁流动控制方法分析讨论电磁力对潜艇绕流流场的作用效果并进行受力与受力稳定性分析。

在水下高雷诺数的行驶环境下, 海水绕过潜艇头部或围壳时会发生流动分离、层流-湍流转捩、涡脱落等现象, 因此会增加阻力, 产生噪声, 不利于潜艇的隐蔽。文中分析电磁力不同作用位置以及不同大小下潜艇绕流流场结构和受力变化, 得出了最有效的消涡减阻减振的加力方式, 即对围壳顶盖的施加电磁力作用系数=1.5的电磁力可以有效抑制涡脱落现象, 同时阻力下降最多。研究电磁力对潜艇绕流流场的控制过程, 减少潜艇阻力, 抑制受力波动, 对于提高潜艇的隐蔽性和动力性能有重要意义, 为进一步研究优化潜艇流场问题提供参考。

1 计算模型与数值方法

1.1 控制方程

无量纲形式的电磁流体控制方程[10]如下

式(2)中的代指无量纲电磁力, 由边界层中的磁感应强度和电流密度表示

1.2 计算模型

选取带围壳附体的回转体类潜艇模型对绕流问题进行分析研究, 如图1, 潜艇艏部为一半球, 中体艇身为圆柱状, 艉部则是平滑的锥形, 其长度分别为0.06、0.69和0.25(为潜艇的长度, 作为计算的特征长度)。艏部半球和艇身圆柱体的半径为0.06。艇身上方的椭圆形结构为指挥台围壳, 围壳为高0.06的椭圆柱, 其长短半轴分别为0.045和0.025, 并与裸艇体相贯于距前缘0.3处(以椭圆柱中心轴计算)[13]。设定电磁包覆参数为,=0表示潜艇无电磁力包覆,=1、=2、=3分别表示图1所示位置包覆电磁力。

图1 潜艇模型及电磁力包覆位置

如图2所示, 计算区域大小为4× 2× 2, 流动自左向右,轴指向下游,轴指向右舷,轴指向垂直向上方向。坐标原点位于入口下游0.5处, 潜艇首端点的空间坐标为(-0.02, 0.5, 0)。潜艇无攻角, 左、右面分别为速度入口和压力出口, 其余4个侧面为压力边界条件, 潜艇表面为无滑移边界条件。

将模型运用到Linux系统中的开源软件Gerris进行计算。

图2 潜艇流场的计算域图

2 计算结果与分析

2.1 流场分析

没有施加电磁力的潜艇流场如图3所示。从图中等涡量面的分布可看出, 艇身壁面有涡产生, 围壳下游也有较为密集的涡生成和脱体, 潜艇尾艉部也有涡结构出现。这些涡的生成和脱体会导致潜艇的振动。

图3 潜艇流场示意图(A=0, t=45)

利用电磁力可改变流体边界层结构, 实现对边界层结构的优化控制[14]。在分析潜艇流场三维结构特征的基础之上, 对电磁力的分布进行调整, 从而最大程度地实现减阻、减振和降噪等控制目的。由于潜艇艉部施加电磁力后整体效果不佳, 文中计算和分析了对3个位置(半球形艏部与艇身的结合处、围壳顶盖、围壳侧表面)包覆电磁力的控制效果。

对3个位置分别施加流向电磁力, 流场在计算时间=8左右趋于稳定, 从=15开始施加电磁力。

=1时加以电磁力后的潜艇流场等涡量面如图4所示, 当=1.5时, 艇身壁面上的涡已被抑制, 认为施加=1.5的电磁力已达到目标效果。同理,=2时, 对比加力前与不同电磁力作用系数的流场, 认为原不加力流场中紊乱的涡在施加=1.5的电磁力后被抑制, 抑制效果明显, 如图5所示, 围壳盖后尾涡被抑制为线状涡, 则取= 1.5即可达到目标效果。=3时, 流场图如图6所示, 等涡量面在电磁力施加前后无明显变化, 此时取=1.5进行分析, 围壳靠近艇身部分有较长线状涡, 围壳尾涡等涡量面被较高抬起, 潜艇尾部等涡量面对比其他包覆参数的线状涡更长, 没有达到抑制效果。

图4 t=45时刻下电磁包覆参数A=1的潜艇绕流流场图

图5 t=45时刻下电磁包覆参数A=2的潜艇绕流流场图

从流场图中来看, 对潜艇这3个位置施加电磁力, 在围壳顶盖部分施加电磁力作用系数= 1.5时, 流场图中不规则形状的涡变成了线状涡, 对抑制涡及其脱落有显著效果, 反映出直航情况下在整个流场中生成的涡主要由围壳顶盖产生。

2.2 受力分析

定义受力系数

图7 4种情况下受力系数随时间的变化曲线

=1情况下, 阻力系数在1.29×10–3~2.14×10–3范围内波动, 偏航力系数在–2.45×10–3~1.46×10–3之间波动, 俯仰力系数在–1.44×10–3~ –5.15×10–3之间波动; 对比不加力的情况, 俯仰力系数曲线及偏航力系数曲线值域缩减最为明显。

=2情况下, 阻力系数维持在1.35×10–3附近, 偏航力系数在–6.93×10–4上下有微小波动, 俯仰力系数围绕–7.67×10–4微小波动, 加力流场稳定后曲线都近乎平缓。

=3情况下, 图中波动幅度减少不明显,=30~50时阻力系数在1.26×10–3~2.11×10–3值域内波动, 对比不加力情况变化不大; 偏航力系数在–1.47×10–3~2.56×10–3之间波动, 如图7(d), 加力后曲线略有上升趋势; 俯仰力系数在–9.53×10–4~–2.59×10–4之间波动, 变化不大, 略有上升趋势。加电磁力后流场中围壳尾涡被抬起, 偏航力俯仰力随之变化, 俯仰力系数曲线偏航力系数曲线上升。

考虑到加力之后流场的稳定情况, 取计算时间=30~50进行数据处理, 将其数值进行分析比较。

流体的粘性在潜艇表面形成的边界层使得潜艇阻力增大, 流体在电磁力的作用下加速, 边界层的结构因此而改变, 流体与潜艇的相互作用也发生了改变, 因此电磁力作用后潜艇阻力减少。从图8得知: 分别对3个位置施加合适作用系数的电磁力之后阻力均值皆有减少, 围壳顶盖加力时阻力减少了21.97%, 减少率最大。

图8 受力系数均值减少率

受力系数波动减少率如图9所示。=1情况下, 阻力、偏航力和俯仰力(升力)的波动分别比不加力的情况下减少了3.78%、17.25%和13.43%。

图9 受力系数波动减少率

围壳顶盖施加电磁力作用系数=1.5情况下, 阻力、偏航力和俯仰力(升力)的波动分别比不加力的情况下减少了99.94%、99.75%和94.63%。椭圆柱形围壳的侧表面施加电磁力情况下, 阻力、偏航力和俯仰力(升力)的波动分别比不加力的情况下减少了17.43%、33.26%和56.04%。对比图7, 围壳顶盖部分施加电磁力作用系数=1.5后受力系数曲线无明显起伏, 潜艇受力相对稳定, 潜艇航行稳定性增加。偏航力有较大幅度的波动, 施加电磁力后仍是。围壳盖加力后流场稳定后涡无振荡, 都是线状涡, 图7中, 阻力系数曲线、偏航系数曲线及俯仰力系数曲线皆无波动。可知, 涡的振荡体现到受力即是阻力、升力等的振荡。

加力之后阻力的波动均有减少, 其中围壳顶盖加力后阻力的波动被抑制, 受力更加稳定。在围壳顶盖施加合适的电磁力能有效抑制住围壳尾部涡的产生和脱落。而整个围壳侧表面加力时的受力没有大幅波动, 波动减少率比半球形头部与艇身的结合处加力的减少率值要大一些, 可见围壳后尾涡的不稳定脱落是潜艇受力不稳定的主要因素。

3 结束语

文中基于类潜艇模型, 通过有限体积法对电磁控制下的直航潜艇流场衍变和受力特性进行了分析, 对潜艇局部加以电磁力控制, 对涡的生成与脱落都起到了一定程度的抑制作用, 消除该局部绕流流场结构对整个流场的影响。分别在潜艇的不同位置施加电磁力后, 改变了其周围的边界层结构, 受力分量中阻力都有所减小且力的波动也被抑制。潜艇指挥台围壳对潜艇绕流流场影响最大, 潜艇围壳顶盖包覆的局部电磁力比半球形艏部与艇身的结合处及围壳侧表面的局部电磁力有更好的消涡减阻降噪效果。文中所做研究仅对直航情况下的潜艇绕流流场进行了计算分析, 后续会进一步对不同攻角下的绕流流场进行研究。

[1] Chase N, Carrica P M. Submarine Propeller Computations and Application to Self-propulsion of DARPA Suboff[J]. Ocean Engineering, 2013, 60: 68-80.

[2] Shariati S K, Mousavizadegan S H. The Effect of Appendages on the Hydrodynamic Characteristics of an Underwater Vehicle Near the Free Surface[J]. Applied Ocean Research, 2017, 67: 31-43.

[3] Chen L, Gillivray I M. Characteristics of Sound Radiation by Turbulent Flow over a Hydrofoil and a Bare-hull SUBOFF[C]//Australian Acoustical Society Conference 2011, Acoustics 2011: Breaking New Ground. Gold Coast, Australia: Proceedings of Acoustics, 2011: 443-450.

[4] Berger T W, Kim J, Lee C, et al. Turbulent Boundary Layer Control Utilizing the Lorentz Force[J]. Physics of Fluids, 2000, 12(3): 631-649.

[5] 张辉, 范宝春, 贺旺, 等. 电磁力作用下的绕流减阻与优化控制[J]. 兵工学报, 2010, 31(10): 1291-1297.Zhang Hui, Fan Bao-chun, He Wang, et al. Drag Reduction and Optimal Control of Cylinder Wake via Lorentz Force[J]. Acta Armamentarii, 2010, 31(10): 1291-1297.

[6] Ask J, Davidson L. A Numerical Investigation of the Flow Past a Generic Side Mirror and its Impact on Sound Generation[J]. Journal of Fluids Engineering, 2009, 131(6): 061102.

[7] Huang Y D, Zhou B M, Tang Z L, et al. Transition Scenario and Transition Control of The Flow over a Semi-infinite Square Leading-edge Plate[J]. Physics of Fluids, 2017, 29(7): 074105.

[8] 刘宗凯, 薄煜明, 王军, 等. 电磁力滤波与快速反射镜光学补偿在潜航器光轴稳定控制中的应用[J]. 物理学报, 2017, 66(8): 084704.Liu Zong-Kai, Bo Yu-Ming, Wang Jun, et al. Lorentz Force Filtering and Fast Steering Mirror Optical Compensation in Optical Axis Stability Control for Photoelectric Mast[J]. Acta Physica Sinica, 2017, 66(8): 084704.

[9] Zhang H, Fan B C, Chen Z H. Numerical Study of the Suppression Mechanism of Vortices-induced Vibration by Symmetric Lorentz Forces[J]. Journal of Fluids and Structures, 2014, 48: 62-80.

[10] Altintas A, Davidson L. Direct Numerical Simulation Analysis of Spanwise Oscillating Lorentz Force in Turbulent Channel Flow at Low Reynolds Number[J]. Acta Mechanica, 2017, 228(4): 1269-1286.

[11] Lim S, Choi B. A Study on the MHD (magneto hydrodynamic) Micropump with Side-walled Electrodes[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2009, 23(3): 739-749.

[12] Albrecht T, Stiller J, Metzkes H. Electromagnetic Flow Control in Poor Conductors[J]. The European Physical Journal Special Topics, 2013, 220(1): 275-285.

[13] Liu H X, Zhou B M, Liu Z K, et al. Numerical Simulation of Flow around a Body of Revolution with an Appendage Controlled by Electromagnetic Force[J]. Journal of Aerospace Engineering, 2013, 227(2): 303-310.

[14] Breuer K S, Park J, Henoch C. Actuation and Control of a Turbulent Channel Flow Using Lorentz Forces[J]. Physics of Fluids, 2004, 16(4): 897-907.

Optimization Effect of Lorentz Force on Local Perturbation of Flow Field around Submarine

ZHANG Fei1, LIU Zong-kai2, ZHOU Ben-mou1, LI Jun-wei1

(1. Science and Technology on Transient Physics Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. Advanced Launch Collaborative Innovation Center, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

While a submarine navigates underwater, the drag against submarine increases for the reasons such as flow separation and boundary layer transition near the wall, which are resulted from fluid viscosity. Meanwhile, massive vortices appear in the flow field accompanied by abnormal vortex shedding. Based upon the viscous incompressible Navier-Stokes equation, this study employs the finite volume method to numerically simulate the submarine’s flow field with=107. The flow field and the force evolution on the submarine are analyzedrespectively under the conditions of=1,=2, and=3, where electromagnetic force(Lorentz force) is applied for flow field control. The results show that the vortices on the hull are effectively suppressed when the Lorentz force is applied to the junction of the hemispherical forebody and midbody(=1,=1.5). Applying Lorentz force to the top of fin(=2,=1.5) can effectively suppress the vortex shedding, and greatly reduce the drag force(horizontal component of force).Therefore, appropriate utilization of Lorentz force for controlling the boundary layer flow of the fin may efficaciously suppress the formation of irregular vortices and their shedding, and reduce flow noises, hence improve the stealth and the dynamic performance of a submarines. This study may provide a reference for optimization of submarine flow field.

submarine; flow field around submarine; Lorentz force; vortex

张菲, 刘宗凯, 周本谋, 等. 电磁力对潜艇绕流流场局部扰动优化效果[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(1): 14-19.

TJ67; O361

A

2096-3920(2019)01-0014-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.003

2018-09-19;

2018-10-25.

国家自然科学基金项目资助(11702139); 南京理工大学先进固体激光工业和信息化部重点实验室开放基金(3091801 4115-009).

张 菲(1994-), 女, 硕士, 主要研究为电磁流体力学方向.

(责任编辑: 许 妍)