潜艇螺旋桨运行状态对操纵运动水动力的影响研究

摘要

操纵性是潜艇（潜水器）综合性能的重要组成部分，操纵性水动力系数是评估潜艇操纵性能的重要指标。精确可靠地估算和预报其水动力系数，在潜艇（潜水器）设计与定型过程中显得十分重要。在预报潜艇（潜水器）水动力系数的流程中，通常不考虑潜艇的螺旋桨运行状态对水动力系数的影响。实际情况下带螺旋桨的艇体（带桨桨无旋转，简称关桨）与裸艇体（拆桨）相比，螺旋桨，艇体近表面的绕流场会有所变化；同时，潜艇螺旋桨的转动（带桨桨旋转，简称开桨）会所产生的复杂流场，其流场会与潜艇艇型周围的绕流场发生扰动，两者皆影响潜艇的操纵性水动力系数。本文运用计算流体力学（CFD）方法获取拆桨、关桨、开桨三种工况下潜艇模型的水动力系数，并完成相应的拘束模型试验，计算值与实验值进行对比分析研究螺旋桨尾流场对潜艇水动力系数的干扰影响效应。 本论文使用软件STAR-CCM+完成了相关的CFD计算。CFD计算主要基于切割体网格技术与重叠网格技术。为保证螺旋桨旋转模拟的流场与试验环境相似，首先以单独螺旋桨为对象进行了研究。进行了螺旋桨模型的敞水性能的模拟，模拟了螺旋桨在不同进速系数J下的转动，以推力系数、扭矩系数、敞水效率作为评估指标，并绘制了其敞水特征曲线。通过与敞水试验的实验值相比较验证了STAR-CCM+模拟螺旋桨转动的可靠性。 本论文以某潜艇模型为对象，完成了模型在斜航运动、变舵角直航运动、垂直面简谐运动下的模拟。通过模拟计算了未安装螺旋桨裸艇体（简称拆桨）、安装螺旋桨但螺旋桨不转动（简称关桨）、安装螺旋桨且螺旋桨转动（简称开桨）共三种工况下的相关模拟。其中使用DBFI模型模拟了潜艇模型的垂直面上的简谐运动。同时为了研究CFD方法预报的准确性，在循环水槽中使用平面运动机构（PMM）进行了拘束模型试验，完成了拆桨、关桨、开桨三种工况下的斜航运动、变舵角直航运动、垂直面简谐运动试验，处理数据并获取相关水动力系数，进行了详细对比和分析。 通过CFD值与实验值对比分析可知：CFD数值模拟值整体与实验值符合良好，相关的一阶水动力系数符合度最高，二阶水动力系数不够理想。通过对比拆桨、关桨、开桨三种工况下的水动力系数可知：无论计算值、实验值，水动力系数在拆桨、关桨、开桨三种工况下水动力系数的增减变化趋势基本一致。可以使用CFD方法近似估算相关一阶水动力系数及舵翼的失速角，具有较高的准确性。螺旋桨的尾流场对水动力系数有一定的影响，潜艇操纵性预报应当考虑螺旋桨状态的影响。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2螺旋桨性能的研究现状

1.3潜艇操纵性研究现状

1.4获取水动力系数方法

1.5论文主要工作

第2章 CFD计算基本原理

2.1潜艇水动力预报方法

2.2数值计算基本理论

2.3软件工具简介

2.4本章小结

第3章 螺旋桨的敞水性能研究

3.1螺旋桨的敞水特性

3.2螺旋桨及数值水池设计

3.3数值计算结果及分析

3.4本章小结

第4章 潜艇不同螺旋桨状态定常运动水动力预报

4.1潜艇模型定常运动数值模拟

4.2潜艇不同螺旋桨状态时定常运动模型试验

4.3潜艇定常运动操纵性水动力预报结果分析

4.4本章小结

第5章 潜艇模型非定常运动水动力预报

5.1简谐运动轨迹与受力分析

5.2潜艇模型非定常简谐运动的数值模拟

5.3潜艇模型纯升沉运动

5.4潜艇模型纯俯仰运动

5.5试验结果分析

5.6本章小结

结论

参考文献

附录

致谢