螺旋桨及其运行对潜艇操纵性水动力影响的模型试验研究

重心 / m Iy ， I z / （ kg·m2 ） 转动惯量 I x ，
模型配置与安装及试验流速选择 为完成操舵试验， 需在模型艏部 模型加工以后， 和艉部加装水密舵机及驱动螺旋桨旋转的水密电 机， 然后进行模型配置和浮态调整。 按照《操纵性 ， 水动力系数试验指导书 》 为满足模型在水中处于 正浮状态， 同时减小非定常试验过程中内流对测力 的影响， 在模型空腔内配备一定量与水密度相当的 物质， 并计算得到水动力模型的质量、 转动惯量、 重 ， 1 ； ， 心位置 具体数值见表 以浮心为坐标原点 测力 天平安装要求测力中心点和浮心的纵向位置误差应 该不大于 1 mm， 以减小试验测力误差。 ： 流速选定 当水动力模型 Ｒe 超过临界雷诺数 Ｒe cr ， 模型的尺度效应可以忽略。 物体绕流运动中， 边界层内流动状态转捩及流动分离不仅取决于来流 Ｒe 数， 而且依赖于来流湍流度、 壁面粗糙度以及外 部主流压力梯度， 因此试验段来流湍流度 ε 对边界 层、 阻力和升力都有很大影响， 应尽可能降低 ε 值， 然而 水 槽 的 固 有 属 性 使 得 水 流 湍 流 度 ε 一 般 为 1．2% ～ 2．0%［10］， 其中湍流度 ε 对平板 Ｒe cr 影响的试 Ｒecr ≈（ 3．5 ～ 5．0） × 验结果表明： 当 ε = 1．2% ～ 2．0% 时， 1．2 105 。根据 《操纵性水动力系数试验指导书》 意见， 试 验缩比模型长度为 3．08 m， 理论上在上述工作流速 段试验中 Ｒe 数均超过 Ｒe cr ， 但尽可能使 Ｒe 较大， 减 小尺度效应， 同时避免流速过高， 水流不稳定， 自由 表面兴波较大， 水中气泡含量过高等对试验的影响 ， 6 满 选取试验流速为 1．2 m / s。对应 Ｒe 约为 3．6 × 10 ， 足试验要求。 1．3 试验目的 为研究螺旋桨及其运行对潜艇操纵性水动力系 数的影响， 对无桨与带桨全附体潜艇模型进行拘束 模型试验， 比较两种模型下获取的水动力系数的变 化情况， 为后期潜艇潜器操纵性预报仿真和 CFD 数 值模拟奠定一定的基础和提供参考依据 。
（ 1． 哈尔滨工程大学 水下机器人技术重点实验室 ， 黑龙江 哈尔滨 150001； 2． 昆明船舶设备集团有限公司 ， 云南 昆明 650217） 要： 利用循环水槽中的垂直型平面运动机构 （ VPMM ） 对无桨和带桨全附体潜艇模型完成拘束模型试验 ， 分析 。 ： Z' 、 M' 目的拟合出潜艇操纵性无因次线性水动力系数 对比可知 带桨模型的水动力系数 w w 和舵角系数 Y' δ 、 摘
2
2．1
基本理论与拘束模型试验
潜艇操纵运动线性方程 潜艇在水下的运动可分为水平面运动和垂直面 在螺旋桨推动作用下， 通过对潜艇的操纵面控 运动， 制， 以达到潜艇水下空间运动。 采用根据国际拖曳 水池会议（ ITTC ） 和造船与轮机工程学会 （ SNAME ） 术语公报的体系推荐的潜艇坐标系如图 2 所示， 惯 xyz。 性坐标系为 Eξηζ， 运动坐标系为 o不考虑横滚和纵荡， 在线性假定下， 可得潜艇在 ［11 ］ 水平面和垂直面的四自由度操纵运动方程 ： 水平面运动：
第 38 卷第 1 期 2017 年 1 月
哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Journal of Harbin Engineering University
Vol．38 №．1 Jan． 2017
螺旋桨及其运行对潜艇操纵性水动力 影响的模型试验研究
1 1， 2 1 1 王庆云 ， 李伟坡 ， 王建 庞永杰 ，
表 1 潜艇模型基本参数 Table 1 Basic data of submarine model 艇体物理属性 艇长 L / m 型宽 B / m 艇高 D / m 2 最大横截面积 S M / m 主艇体横截面积 S / m 排水质量 / kg
2
水动力模型 3．08 0．3 0．37 0．1 0．073 234．37 0．02，0，0 3．6， 129．4， 134．5
Abstract： In this study，we performed a constraint model test，in which we applied a vertical planar motion mechanism （ VPMM） to a submarine model with and without a propeller in a circulation tunnel． We then analyzed and fitted the nondimensional linear hydrodynamic coefficients． In our comparison，we found that the hydrodynamic coeffiM' δ s 、 Z' δ s 、 N' δ r and the hydrodynamic coefficients of the rudder angle， N'δ r of the submarine model with a cientsY' δ r 、 propeller were decreased by 17．33% ， 36．33% ，16．10% ，30．51% ，and 24．25% ，respectively． However，the rudder angle hydrodynamic coefficientN'δ r increased by 16．45% compared with that of the submarine model without a propeller，and the other changes in the hydrodynamic coefficients were generally within the 10% range． These results show that the propeller and its rotation do influence the hydrodynamic coefficients of submarine maneuverability． Keywords： submarine model； propeller； hydrodynamic coefficient； maneuverability tests CAO Liushuai 其操纵性水动力系数的 角试验， 分析了周围流场的变化机理， 在潜艇初步设计阶段， ［7 ］ 准确获取对操纵性的预报起关键性的作用 。由于艇 等 运用不同湍流模型对 SUBOFF 无桨潜艇回转 S． Zaghi 等［8］ 基于重叠网格 后螺旋桨的抽吸作用改变了艇体尾部流场分布和边 运动完成了数值模拟， 对无桨潜艇操纵面完成了数值模拟， 获取了舵角水 界层厚度， 从而导致潜艇水动力性能产生变化。 姚 ［1 ］ WU Xiaocui 等［9］ 对 SUBOFF 无桨潜艇直 动力系数， 震球等 基于滑移网格对带桨与不带桨艇体阻力 PAN Yucun 等［2］ 对无 与艇尾流场进行了数值模拟， 航、 回转等工况完成了数值模拟， 结果与实验值符合 SUBOFF 。 桨 潜艇操纵性水动力系数进行了数值模 较好 可见诸多研究者均针对潜艇不带桨情况获取 Yingsan Wei 等［3］对带桨潜艇尾部流体噪声进行 拟， 操纵性水动力系数， 从而进行潜艇操纵性能的预报， ［4 ］ A．G．L． Holloway 等 对不同外型潜 了模拟与分析， 但是潜艇实际航行则是在带桨情况下完成的 ， 故无 ， ZHANG Nan 艇主艇体完成了回转试验的数值模拟 桨理想化的模型水动力系数的获取将导致操纵性预 ［5 ］ 等 对近水面潜艇直航桨艇干扰完成了数值模拟， 报有所失真， 从而影响潜艇的操纵性能。 ［6 ］ A． Saeidinezhad 等 对无桨潜艇完成了拘束模型攻 故此， 以某全附体潜艇缩比模型为研究对象 ， 在 VPMM 循环水槽中利用 完成带桨和不带桨潜艇模 型斜航、 纯升沉、 纯俯仰、 纯横荡、 纯摇艏及舵角试 网络出版时间： 2016－12－21． 收稿日期： 2015－12－16． 基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 2012T50331） ． 验， 获取该潜艇模型的操纵性线性水动力系数 ， 并对 作者简介： 庞永杰（ 1955－ ） ，男，教授， 博士生导师； 。 （ 1989－ ） ． ， ， 比分析了变化的趋势及原因 王庆云 男 硕士研究生
Model test study of influence of propeller and its rotation on hydrodynamics of submarine maneuverability
2 PANG Yongjie1 ，WANG Qingyun1， ，LI Weipo1 ， WANG Jian1
r
M' δ 、 36．33% 、 16．10% 、 30．51% 、 24．25% ， Z' δ 较无桨模型分别减小 17．33% 、 其 而舵角系数 N' δ r 较无桨时增加 16． 45% ， s s 余水动力系数的变化基本维持在 10% 以内。由此表明螺旋桨的存在及其运行对潜艇操纵性水动力系数具有一定 的影响。 关键词： 潜艇模型； 螺旋桨； 水动力系数； 操纵性试验 DOI： 10．11990 / jheu．201512054 中图分类号： U661 网络出版地址： http： / / www．cnki．net / kcms / detail /23．1390．u．20161221．1524．006．html 文献标志码： A 文章编号： 1006－7043（ 2017） 01－0109－06
表 2 螺旋桨基本参数 Table 2 Basic data of propeller model 螺旋桨物理属性 直径 D / mm 叶数 盘面比 旋向 缩比模型 119．2 7 0．71 右旋
试验在哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实 图 1 为试验中安装完毕的带 验室循环水槽中完成， 桨全附体潜艇模型。 循环水槽稳流工作段尺寸： 长 7 m， 宽 1．7 m， 水深 1．5 m， 即水槽横截面积 S A = 1． 7 × 1 ． 5 m 2 ； 最 大 流 速 2 m / s， 常 用 工 作 流 速 为 0． 3 ～ 1． 8 m / s； 流场不均匀度小于 2% ； 流速不稳定性小于 2% ； 水平流向偏差小于 ±0．5° ； 湍流度 0．7% ～ 2．0% ； 自由液面驻波高度小于 7 mm； 从阻塞效应来看， 要 求模型横截面积与水槽工作段湿截面积 S A 之比小 于 3% ， 就 本 文 而 言， 如 果 以 主 艇 体 横 截 面 积 算， S / S A = 2．86% ， 满足Technology on Underwater Vehicle Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China； 2． Kunming Shipbuilding Equipment Co． ，Ltd． ，Kunming 650217， China）