潜艇紧急倒车工况流场与水动力的大涡模拟研究

摘要

紧急倒车是潜艇应急操纵下的一种重要工况。紧急倒车时推进器反转使得潜艇尾部流场十分复杂,以推进器周围存在大尺度涡环为主要特征,属典型的非定常非均匀的三维复杂涡旋流场。本文首先利用大涡模拟(LES)方法对AU5-65螺旋桨正车前进与紧急倒车工况的流场与水动力进行计算分析。计算采用五套全域结构化网格以及四种亚格子应力模型,对规范的网格收敛性与亚格子涡模型影响性进行研究,通过AU5-65桨敞水特性试验数据校验计算方法的可靠性与稳定性。在敞水计算研究基础上,又对带有AU5-65桨的SUBOFF潜艇正车前进与紧急倒车工况的流场与水动力进行数值计算研究。计算得到的尾翼马蹄涡、桨叶梢涡与毂涡等流动精细结构符合实际流动情况,计算捕捉到的大尺度涡环结构以及复杂的非定常尾流等紧急倒车工况下的流动现象也符合常规认识。最后,将不同工况的水动力与流场进行详细的对比分析,清晰地展示紧急倒车工况的典型物理特征。研究结果表明,本文建立的基于大涡模拟的数值计算方法用于潜艇紧急倒车工况计算切实可行。