近水面航行的潜艇阻力数值模拟

摘要

通常情况潜艇处于深水中，其阻力无需考虑自由液面的影响。但是，在某些情况下，潜艇必须要浮到近水面，因此研究由于自由面的存在而导致潜艇阻力的变化显得尤其重要。通常，预报阻力主要依靠模型试验方法，但是模型试验昂贵耗时耗力，往往难以满足多方案的选择。在计算机高速发展的今天，计算流体力学（CFD）得以迅速发展，国内外都用其来数值模拟和预报粘性绕流场，因此，本文利用FLUENT 软件来数值模拟近水面航行的潜艇阻力，主要从以下两个方面进行了比较系统的初步研究： (1)通过广泛计算分析，建立了预报在深水（无界流）中潜艇阻力的方法。首先，在分析大量国内外资料的基础上，选择四种不同的湍流模型来分别数值模拟潜艇阻力，通过与计算回转体阻力的经验公式对比，发现：RNGk ε ? 湍流模型对预报主艇体阻力的精度是最高的。然后进一步研究y+ 函数和径向网格数对潜艇阻力的影响，初步建立了预报潜艇阻力的数值方法。接着，通过数值模拟系列速度下的潜艇阻力并与经验公式比较，对上述数值方法进行了验证。表明该数值方法对预报潜艇阻力有较好的精度。 最后，数值模拟了主艇体加上指挥台和尾翼等部分附体以及全附体的潜艇阻力，取得的潜艇阻力系数以及尾流场与有关文献相比较，其结果具有一定的合理性。 (2)在成功数值模拟深水（无界流）中航行的潜艇阻力的基础上，把考虑自由面的水面舰船和在深水中不考虑自由面的潜艇综合起来研究近水面航行的潜艇阻力问题。 首先，引入相对浸深的概念，接着改变相对浸深，数值模拟近水面航行的潜艇阻力，同时给出阻力系数随着相对浸深的变化趋势，以及相应工况下的波高等值线图以及相应的波形图。最后，在同一浸深下，研究潜艇在系列速度（雷诺数）下，近水面航行的潜艇阻力的变化，给出它们的变化趋势图，由于缺乏试验数据，无法从定量上比较，但从定性上分析，结果是可靠合理的。