螺旋桨/艇体粘性流场的数值分析

摘要

粘性数值计算经过长期的发展与验证，在计算能力与实用化方面发生了深刻的变化，目前已经成为潜艇研制中必不可少的技术手段。由螺旋桨驱动的潜艇尾部流动相当复杂，其周围流场特别是尾流场不但是其水动力性能的基本反映，而且是艇体水动力噪声的主要来源，因此潜艇（螺旋桨）尾流场流动特性的预报直接关系到未来新型潜艇的优劣。为了迅速了解设计上的改动导致的流场结构变化，必须借助数值计算手段，所以在“数值水池”的研究过程中，全附体潜艇粘性绕流以及艇桨相互作用的数值模拟具有重要的理论和实际意义。CFD软件的出现开辟了潜艇（螺旋桨）流场研究的新途径。它拥有很广的几何建模和网格划分能力，多种可选的数值求解方法以及强大的后处理功能。借助CFD软件这一平台，研究人员能够更快更好地完成研究工作。本文正是借助CFD软件，对螺旋桨、潜艇绕流的粘性流场、阻力以及螺旋桨/艇体相互作用的流场进行了数值模拟。 本文首先推导了螺旋桨三维坐标的转换公式，进行了螺旋桨敞水水动力性能的计算，并与试验测量值做了比较；同时对该桨的性能情况进行了一些数值计算考察。其次，对SUBOFF 潜艇全附体尾流场的数值模拟进行了计算分析，并与试验结果进行对照，验证了该数值方法对潜艇主附体尾流场计算的可行性，接着建模计算了尾翼处于不同位置的六种模型，考察其不同位置对潜艇尾流场及阻力的影响。最后，在前两部分计算成功的基础上，采用了混合面模型以及滑移网格模型分别对螺旋桨/艇体流场的整体进行了计算从而揭示了真实螺旋桨和船体之间相互干扰的内在规律，可作为研究螺旋桨和艇体相互干扰提供更加精确和实用的研究手段。潜艇尾流场是其水动力性能的基本反映，也是艇体水动力噪声的主要来源，因此潜艇尾流场流动特性的预报便显得格外重要。由于新型潜艇对于自身的隐蔽性和机动性有极严格的要求，这种要求将导致从根本上革新传统潜艇的设计方式，为了迅速了解设计上的改动导致的流场结构的变化，必须借助于一种比模型试验方法更为经济的研究手段。CFD软件拥有很广的几何建模和网格划分能力，多种可选的数值求解方法以及强大的后处理功能。借助CFD软件这一平台，研究人员能够更快更好地完成研究工作。 本文数值模拟了潜艇绕流的粘性流场及阻力。以SUBOFF 主艇体这一细长回转体为研究对象，比较系统地研究了网格划分形式、网格数量以及湍流模型对潜艇主体尾流场的影响，初步建立了比较规范化的、可靠的SUBOFF 潜艇主体尾流场数值模拟方法。然后，对SUBOFF 潜艇＋附体（指挥台或尾翼）以及潜艇全附体尾流场的数值模拟进行了比较详尽的计算分析，并与试验结果进行对照，验证了该数值方法对潜艇主附体组合体的尾流场计算的可行性。最后，为了考察附体与主体的相对位置及附体的类型对潜艇尾流场及阻力的影响，分别建模计算了指挥台处于不同位置时的十种模型和尾翼处于不同位置是的六种模型以及潜艇带“X”型尾翼的四种模型，从尾流场和阻力两方面对其一一比较分析，得出水动力性能较优的指挥台相对位置以及尾翼相对位置和类型。