大涡模拟在水下物体周围流场数值模拟及主附体线型优化中的应用

摘要

本报告在分块结构化网格基础上，编制完成可用于水下运动物体和推进器周围粘性流场预报的计算机程序。 研究中采用拟可压缩性方法耦合不可压缩Navier-Stokes方程，经空间滤波后得到大涡模拟(Large Eddy Simulation-LES)控制方程，以Smagorinsky型亚格子应力模型(Subgrid Scale Model-SM)封闭小尺度不可解量对大尺度可解量的影响。控制方程的对流项及耗散项由基于三阶迎风偏置的混合差分及二阶中心差分离散，离散得到的非线性方程组由无矩阵运算的全隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss Seidel)分步迭代求解。 不同形式的潜艇主、附体组合周围的流场、表面压力及水动力的定常数值计算结果与试验吻合较好，表明报告中的数值方法及计算程序达到了工程实用的程度。 研究中选定某模型潜艇的主艇体及布置形式，进行指挥台围壳的翼形、弦长及高度变化对潜艇尾流场均匀性影响的数值模拟及分析，结果表明：主艇体线型及指挥台围壳安装位置不变时，改变围壳的外形可使潜艇螺旋桨盘面处的流动均匀性得到改善。 通过改变尾附体与推进器盘面的间距及尾附体前缘的填角大小，进行了尾附体布置形式对潜艇推进器盘面进流品质的影响研究，桨盘面进流均匀性的分析表明：增加尾附体与螺旋桨盘面的间距或向前延伸尾附体与主艇体间的填角可改善螺旋桨盘面轴向进流的均匀性。 通过体积力代替组合式推进器的转、定子，进行了潜艇艇体和导管线型优化对转、定子干扰下的潜艇周围及导管内外流场影响的数值模拟。推进器产生相同推力的计算结果表明：(1)转子盘面积不变时，增大进出口面积可减少导管及艇体的阻力增加量；(2)进、出口面积与转子盘面积的比值不变时，增大艇尾的去流角使艇体的推力减额增大，导管阻力减小，但总阻力增加；(3)进、出口面积与转子盘面积的比值不变，收缩艇体尾部的线型，艇体的推力减额减小，导管阻力增加。 潜艇主、附体线型优化不仅使推进器盘面的流动品质提高，达到降低推进器噪声的目的；还能减少主、附体与推进器的相互干扰引起的总阻力增加量，有利于提高推进器效率及潜艇的快速性能。 主、附体线型的优化可用于未来高速、安静型潜艇的研制。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章控制方程及数值方法

第三章指挥台围壳外形对潜艇尾流场的影响

第四章尾附体布置对潜艇尾流场的影响

第五章泵喷潜艇尾部及推进器导管的线型优化

第六章结论及展望

参考文献

在站期间参加的研究工作及研究成果

致谢