帶附體潛艇尾流場的數值模擬與驗證李艷;姚震球【摘要】對美國DARPA潛艇模型SUBOFF尾流場進行了數值模擬，采用湍流模型k-如k-3與壁面函數相結合，直接求解RANS方程，并將計算結果與試驗結果進行了比較分析，驗證了數值方法的可靠性.在此基礎上將SUBOFF模型改變為"X"型尾翼，對其尾流場進行了數值模擬分析.【期刊名稱】《江蘇科技大學學報(自然科學版)》【年(卷)，期】2006(020)002【總頁數】6頁(P7-12)【關鍵詞】計算流體力學;潛艇;尾流場【作者】李艷;姚震球【作者單位】江蘇科技大學，船舶與海洋工程學院，江蘇，鎮江,212003;江蘇科技大學,船舶與海洋工程學院，江蘇，鎮江,212003【正文語種】中文【中圖分類】U661.30引言含附體潛艇周圍粘性流場特別是尾流場不僅是其水動力性能的基本反映,而且是艇體水動力噪聲的主要來源，因此潛艇尾流場流動特性的研究直接關系到新型安靜型潛艇的設計。一直以來模型試驗是研究船舶流場的重要方法。隨著計算機技術的迅猛發展，數值計算方法逐漸成為研究船舶流場的另一有效方法。對于潛艇流場的數值計算，國內外水動力學界正在進行研究。中國船舶科學研究中心對潛艇流場也進行了大量的試驗和計算研究。趙峰、周連弟[1](1996)采用k-s湍流模型對潛艇含指揮臺附體區域周圍粘性流場進行了計算。張楠[2](2005)采用k-s、RNGk-s、k-33種湍流模型預報了美國DARPA潛艇模型SUBOFF與CSSCR潛艇模型SM-x的阻力與尾流場，并將計算結果與試驗結果對比驗證。Huang[3](1992)對SUBOFF艇型進行了系統的風洞尾流場試驗，采用BL模型、修正的BL模型與k-s模型詳細計算了槳盤面處的軸向無量綱速度。Bull[4](1996)通過變化網格的形式和數量、湍流模型、流動求解器，對SUBOFFAFF-1(裸艇體)與AFF-8(全附體)的尾流場的數值模擬進行了系統的驗證。Bull[5](1998)采用FLOW3D流動求解器模擬了SUBOFFAFF-1與AFF-4在Re=1.2x107~1.2x109范圍內7個雷諾數下的尾流場。Bensow[6](2004)采用大渦模擬計算了SUBOFFAFF-1與AFF-8的粘性流場,并與試驗結果進行了比較。本文利用FLUENT軟件對SUBOFF艇型的尾流場進行數值模擬，并與試驗結果進行了比較。1數學模型1.1控制方程不可壓縮粘性流體的連續性方程和RANS方程可寫成如下形式：(1)(2)式中:ui為時均速度,為脈動速度。1.2湍流模型對帶附體潛艇尾流場計算，分別采用k-s湍流模型和k-3湍流模型，以利于比較。k-8湍流模型湍流動能k方程為：(3)湍流耗散率￡方程為：(4)k-3湍流模型湍流動能k方程為：(5)特殊耗散率3方程為：(6)參數的選取見文獻[7],所有算例均采用標準壁面函數。1.3邊界條件本文計算域大小為4Lx1LxnL(軸向x徑向x周向)，其中L為艇長。邊界包括:入口、出口、壁面、夕卜場等。速度入口:潛艇艏部向前一倍艇長處,設定其來流速度大小和方向,Vin=Vo;壓力出口:潛艇艉部向后兩倍艇長處，設定相對于參考壓力點的流體靜壓值；壁面邊界:潛艇外表面，設定為無滑移條件，即u=v=w=0;對稱面:垂直于對稱面的速度分量為零,vn=0；平行于對稱面的速度分量的法向導數為零；外場條件:離艇體對稱軸一倍艇長區域，速度為未受擾動的主流區速度。1.4研究對象本文采用美國DARPA潛艇模型SUBOFF作為研究對象，附體包括指揮臺、垂直尾翼以及水平尾翼。該艇模型主艇體總長為4.356m,其中前體長1.016m,平行中體為2.229m,后體長1.111m,最大直徑為0.508m。槳盤面位于0.978L處距艇4.260m處。指揮臺長0.368m,上部為一外凸的頂蓋。4個尾翼剖面為NACA0020翼形,對稱布置于艇尾部。潛艇網格生成采用分塊結構化網格。當進行潛艇尾流場計算時，考慮艇體幾何對稱性，取計算域一半進行計算。帶指揮臺潛艇流動區域被分為9塊，網格數為38萬;帶4個尾翼潛艇流動區域被分為22塊，網格總數為51萬;帶全附體潛艇流動區域被分了25塊，網格總數為63萬。1.5數值計算方法采用有限體積法離散控制方程和湍流模式。動量方程、湍流動能方程以及耗散率方程采用二階迎風格式，壓力項采用二階差分格式。壓力速度耦合迭代采用Simple算法。2計算結果與分析2.1潛艇尾流場計算與驗證根據Huang［3］(1992)對SUBOFF潛艇模型多個狀態下的尾流場進行的詳細測量，得出的結果用來驗證數值計算方法的可靠性。在本文計算中，流體介質均為空氣Re=1.2x107。2.1.1帶部分附體的潛艇模型尾流場從文獻［1］、［2］、［4］中可知k-￡和k-3均可用于帶附體潛艇尾流場的數值模擬。故首先分別采用k-如k-3湍流模型對潛艇2種附體狀態下的尾流場進行計算，即裸艇體+指揮臺(sail),裸艇體+4個垂直尾翼(fins),比較這兩種湍流模型在計算尾流場中的優劣。文獻［4］中通過變化網格數量和形式進行了潛艇尾流場計算，在此基礎上，本文通過改變附體前后段加密處網格點分布,比較不同網格點分布狀態下尾流場的情況，得到較優的網格分布。計算得到槳盤面處r/Rmax=0.3、0.62個半徑上的軸向無量綱速度(u/U0)與試驗值的比較，Rmax為艇體最大半徑。圖1、2為指揮臺與尾翼局部表面網格示意圖。表1、2為附體前后段網格分布比例變化情況。帶指揮臺的結果見圖3~圖6,帶尾翼的結果見圖7~圖10,圖中0°對應指揮臺或是上垂直翼，每5°取一點。圖1指揮臺附近表面網格Fig.1Surfacemeshesnearsail圖2尾翼附近表面網格Fig.2Surfacemeshesnearsternappendages表1指揮臺前后段的網格點分布比例Tab.1Successiveratioofmeshnodesonedgesoffrontandbackofsail模型前段后段Sail11,1.21.3,1.15Sail21,1.31.3,1.15Sail31,1.351.3,1.15Sail41,1.41.3,1.15Sail51,1.351.25,1.15Sail61,1.351.2,1.15表2帶尾翼前后段的網格點分布比例Tab.2Successiveratioofmeshnodesonedgesoffrontandbackofsternappendages模型前段后段Fins11,1.41.05,1.1Fins21,1.351.05,1.1Fins31,1.31.05,1.1Fins41,1.251.05,1.1Fins51,1.41.1,1.1Fins61,1.41,1.1圖3帶指揮臺模型槳盤面r/Rmax=0.6上的u/U0Fig.3u/U0atr/Rmax=0.6inpropellerdiskofmodelwithsail圖4帶指揮臺模型槳盤面r/Rmax=0.3上的u/U0Fig.4u/U0atr/Rmax=0.3inpropellerdiskofmodelwithsail圖5帶指揮臺模型槳盤面r/Rmax=0.6處的u/U0Fig.5Comparisonofu/U0atr/Rmax=0.6inpropellerdiskoffourmodelwithsail圖6帶指揮臺三種模型槳盤面r/Rmax=0.6處的u/U0Fig.6Comparisonofu/U0atr/Rmax=0.6inpropellerdiskofmodelwithsail圖7帶尾翼模型槳盤面r/Rmax=0.6上的u/U0Fig.7u/U0atr/Rmax=0.6inpropellerdiskofmodelwithfinsl圖8帶尾翼模型槳盤面r/Rmax=0.3上的u/U0Fig.8u/U0atr/Rmax=0.3inpropellerdiskofmodelwithfins圖9帶尾翼四種模型槳盤面r/Rmax=0.6處的u/U0Fig.9Comparisonofu/U0atr/Rmax=0.6inpropellerdiskoffourmodelwithfins圖10帶尾翼三種模型槳盤面r/Rmax=0.6處的u/U0Fig.10Comparisonofu/U0atr/Rmax=0.6inpropellerdiskofthreemodelwithfins從計算結果與試驗結果的比較來看，計算所得的軸向無量綱速度的波動趨勢與試驗結果基本一致，波動幅值略有差異。從圖3、4、7、8中兩種湍流模型的比較可知k-3模型所得結果與試驗值更為吻合。兩種附體狀態比較可知，帶尾翼的潛艇尾流場計算結果與試驗值更為接近，而且在半徑r/Rmax=0.6處的計算值比r/Rmax=0.3處的計算值與試驗值更為接近。從圖5、6中得出，指揮臺前后加密處的網格分布較優的模型為sail6。從圖9、10中得出，尾翼前后加密處的網格分布較優的模型為finsl。2.1.3帶全附體潛艇尾流場根據前面計算所得結論，發現k-3更適合于潛艇尾流場計算。故只采用k-3湍流模型對帶全附體潛艇尾流場進行計算，即裸艇體+指揮臺+四個尾翼(sail+fins)。并且根據比較結果網格分布取sail6和fins1。將計算得到的槳盤面處r/Rmax=0.25半徑上的無量綱速度與試驗值進行了比較，結果見圖11。槳盤面處平均軸向無量綱速度見圖12。圖中0°對應指揮臺或是上垂直翼，每5°取一點。圖11槳盤面r/Rmax=0.25半徑上的u/U0Fig.11u/U0atr/Rmax=0.25inpropellerdisk圖12槳盤面上各半徑處平均軸向無量綱速度Fig.12Velocityprofilesofvariousconfigurationsatx/L=0.978從圖中可知，計算結果與試驗值波動趨勢基本一致，波動幅值相差較小。這再一次驗證了k-3模型在尾流場計算中的優勢。2.2帶“X”形尾翼的尾流場數值模擬現代潛艇尾操縱的布置普遍采用十字形和X形兩種基本形式。SUBOFF潛艇模型采用十字形尾翼，一般潛艇尾流場計算也都是采用十字形尾翼，而對于帶其他形式尾翼的研究相較少，實際上這種研究不僅可用于研究尾翼布置對潛艇水動力性能的影響，而且對于主附體結合部繞流計算也有參考價值。本文將SUBOFF潛艇模型的十字形尾翼改為X形尾翼，并對其流場進行計算模擬，即裸艇體+指揮臺+X形尾翼(sail+fin)。采用的X形尾翼是從十字形尾翼順時或逆時旋轉45°所得。所得結果見圖13、14。圖13槳盤面r/Rmax=0.25上的u/U0Fig.13u/U0atr/Rmax=0.25inpropellerdisk圖14槳盤面上各半徑處平均軸向無量綱速度Fig.14Velocityprofilesofvariousconfigurationsatx/L=0.978從圖13可知，槳盤面r/Rmax=0.25上的沿周向的軸向無量綱速度，帶十字形尾翼與帶X形尾翼正好相差45°,最大幅值相差不大。圖14中槳盤面處各半徑上的平均軸向無量綱速度兩者幾乎吻合。從結果上看，潛艇采用X形尾翼并不能改善尾流場。潛艇上X形潛艇的應用主要是提高潛艇的機動性和安全性。3結論本文采用k-3和k-8兩種湍流模型對SUBOFF潛艇模型在不同附體狀態下的尾流場進行了數值模擬，并將計算結果與試驗結果進行了比較,分析兩種湍流模型在潛艇尾流場計算中的優劣。計算結果表明,k-3湍流模型較k-s湍流模型更適合于潛艇尾流場計算,而且誤差均在3%以內。附體加密處網格分布比例變化對潛艇尾流場產生了影響。在一定范圍內改變網格分布比例可得出更為理想的計算結果。在此基礎上對帶X形尾翼的尾流場進行了數值模擬分析，結果表明了X形尾翼不能明顯改善槳盤面的入流。參考文獻：趙峰,周連弟.潛艇含指揮臺附體區域周圍粘性流場的多塊耦合計算[J].水動力學研究與進展,1996(4):448-458.張楠，沈鴻萃,姚惠之.潛艇阻力與流場的數值模擬與驗證及艇型的數值優化研究[J].船舶力學,2005(1):1-13.HUANGT,LIUHL,GROVEN,etal.Measurementsofflowsoveranaxisymmetricbodywithvariousappengagesinawindtunnel:theDARPASUBOFFexperimentalprogram[C]iiProceedingsof19thSymposiumonNaval