自由液面对艇后螺旋桨性能的影响研究

摘要

靠近自由液面航行的潜艇,自身绕流特性较其在深水区域会有所改变,从而影响艇后螺旋桨的性能表现,进而增加潜艇安全航行的风险.为了探究自由液面存在对艇后螺旋桨性能的影响,本文利用URANS方程耦合k-ω湍流模型,基于Star CCM+求解器对潜艇自航模(Sub-off+E1619桨)在近自由液面航行时的性能进行数值仿真计算.首先,通过对比可获取的实验数据,数据包括无限潜深下全附体艇体阻力实验数据、多潜深条件下旋转体阻力实验数据和螺旋桨敞水实验数据,验证数值模拟方法的正确性;接着,基于3套不同密度的网格开展网格收敛性分析,确保数值模拟的准确性;最后,对2个潜深、3个航速下潜艇自航模的性能进行仿真计算,分析自由液面对自航模螺旋桨性能的影响.结果表明,自由液面的存在首先会增加潜艇自航模自航点对应的螺旋桨转速;另外,自由液面的兴波和艇体壁面形成的类喷嘴流动与转速变化有关,类喷嘴流动和桨的抽吸作用共同改变桨叶剖面的迎流攻角,使得桨叶靠近或远离自由液面会显著改变螺旋桨的载荷.