CFD在潜艇操纵性水动力工程预报中的应用研究_潘子英

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#< $ 截面流线 ( 速度云图计算与试验的对比分析
$G 总的来看 ’速度云图计算结果与试验符合得较好 # 图 <(图 ( $! &G 试验和计算得到的截面流线均显示 ’ 在 $X!9KG7 截面内只有一个分离点 ’ 在 $X!9KG::< 截面内有 两个分离点 # 见表 8$! WG 如图 <(图 ( ’初始分离后 ’流线在壁面上方卷曲成涡线 ’ 形成初始分离涡 ’ 本文数值方法对初始
摘要 ! 潜艇操纵性的设计预报基础是潜艇操纵性水动力的预报 $ 基于潜艇线型几何参数的工程实用预报方法 " 在 潜艇操纵性方案选型和水动力布局优化设计中显得尤为重要 $ 本文探讨 &’( 在潜艇操纵 性水动力预报方面的 应用能力和预报精度 " 并应用七参数线型模型 % 采用均匀设计试 验方法 " 设计了一个系 列 !% 条 潜 艇 主 体 类 水 滴 型模型 " 通过数值模型试验和回归分析 " 提出了潜艇主体操纵性水动力的估算公式 " 具有良好的应用前景 $ 关键词 & 潜艇 ’ &’( ’ 操纵性 ’ 水动力 ’ 数值预报 ’ 工程估算 中图分类号 ! )**"+,, 文献标识码 ! -
? 引 言
潜艇操纵性是潜艇综合性能的重要组成部分 " 是潜艇安全航行和充分发挥其战技水平的重要保 证 " 因而也是潜艇总体性能设计的重点之一 $ 潜艇的操纵性设计计算主要依靠工程估算和母型修正方 法 " 操纵性预报主要依靠模型试验方法 $ 由于国内现有的潜艇操纵性水动力估算公式形式简单 " 不能 收稿日期 &!$$#K$#K!P
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式中#)$#" 为 ) 和 " 的扩散系数 $+)$+" 为湍流产生项 $,)$," 为湍流耗散项 &
!"$ 边界条件
’( ( 无穷远边界条件在数值计算中以入口条件和出口条件描述 !
!! $% 入口处速度为无穷远处来流速度 ! &% 出口处压力为无穷远处压力 "
#’ $ 物面条件 % 速度为零 &
!) ! % !)!( $ G ! " > ! #) !# G+)C,) !) $ !* !#( !#% %
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特殊耗散率" 方程 !
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百度文库
方程 ’( (和 ’8 (中的 !(D!&D’ 都为时均量 & 其中 ! " 为雷诺应力项 & C!("!&" $
!"! 湍流模型
本文选用的湍流模型为 )C" 两方程模型 $ 它是由 H6IJ2K 在 (LLM 提出的对原 )C" 模型 ’H6IJ2K$
(LMM(的改进模型 &
湍流动能 ) 方程 !
第!期
潘子英等 ! "#$ 在潜艇操纵性水动力 "
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涡 # 而计算的二次分离较弱 $没有形成二次分离涡 % 表 ! 试验与计算对截面分离点预报的比较
"#$%! &’()#*+,’- ’. ,/)#*#0+’- )’+-0 +- ,/10+’- .2’3 )*/4+10/4 $5 1#2162#0+’- #-4 /7)/*+(/-0#0+’截面位置 &!"# ’ 试 验 计 算 试 验 无 计 算 无 计算对象 !&!’ 椭球体 $%(%)*"’+&$!(*+# 初始分离点的周向位置 二次分离点的周向位置
拖出椭球体表面 ’ 形成自由流面 ’ 并卷曲形成涡 ’ 沿流动方向向下游运动 !
&G 在椭球体纵向位置 $H!9=%# 以前的背风区就已经形成明显的分离线 # 初始分离线 $’ 在 $H! 9=%7 附近开始形成二次分离线I 二次分离线和初始分离线之间的极限流线渐近线是再附着线 &
图 J 椭球体绕流迹线图 # 左 $ 和油流图 # 右 $#!9<K# ’"#9!F<"8K7’ 计算结果 $
分离涡位置的预报与试验符合较好 ’ 如在 $X!9KG7 截面处 ’ 初始分离涡涡心位置的试验结果 % 周向角
8Y"#’ 距壁面 8G"W; !计算结果 % 周向角 8Y:# ’ 距壁面 <GKW;! 5G 在二次分离将要发生 #$X!9KG7 截面内 $或二次分离附近 #$X!9KG::< 截面内 $’ 计算的回流情况较 试验结果弱 ! 在 $ X !9KG::< 截面处 ’ 试验得到的截面流线在二次分离后 ’ 形成了一个较小的二次分离
$%&%’()* +, -". ’//01)’21+3 13 %3413%%(134 %&215’21+3 +, &675’(13% 5’3%68%(’710129 *9:(+:93’51) ,+()%&
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第 % 卷第 R 期 !$$# 年 "$ 月
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船舶力学
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!"#在潜艇操纵性水动力工程预报 中的应用研究
潘子英 ! 吴宝山 ! 沈泓萃
! 中国船舶科学研究中心 " 江苏 无锡 !"#$%! #
船舶力学
第 " 卷第 # 期
#( $ 对称面条件 % 法向速度为零 ’ 物理量在对称面的法向梯度为零 &
!"# 数值求解
以有限体积法离散流体运动的控制方程和湍流运动方程 & 其中扩散项以中心差分格式差分 ’对流 项采用二阶迎风差分格式 & 应用 )*+,-. 法处理压力速度耦合问题 ’ 离散方程以 /$0112)34536 迭代方法求解 ’ 并以代数多重网 格技术加速迭代收敛 &
’!( 椭球体 $ 与潜艇主体相似 $ 虽然外形简单 $ 但其带攻角的绕流流动却是一个复杂 $ 典型的三维
分离流动 $ 而对这一流动预报的好坏可以间接地检验数值方法对潜艇主体带攻角绕流流动的预报能 力 & 对 ’!( 椭球体带攻角的水动力及流场的测量有 ")*+,-.-+/(0和 1233 的近期工作 $ 在数值计算方面有
+)& +)--*
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.) 计算结果
/) 试验结果
图 * !0#(+)& 处截面流线和速度云图 1!(*+#2
#345* 6789.: ;3<9= .<> ?9;@A37B A@<7@C8 3< =9A73@< !0#(+5& 1!(*+#D
.5 计算结果
;7&2(’)2 !A/6 B216>C6;2D0E07F G6:0H1 I8 2 :>DB2;016 0: D2:6G I1 7/6 4;6G0570I1 I8 /FG;IGF12B05 8I;56:+ A/6 61H0166;01H 6:70B270I1 D2:6G I1 7/6 42;2B676;: I8 />EE H6IB67;F 0: C6;F 0B4I;7217 8I; B216>C6;2D0E07F G6:0H1+ A/6 4;6:617 4246; 01C6:70H276G 7/6 255>;25F I8 &’( .&IB4>7270I12E ’E>0G (F12B05J 01 B216>C6;! 2D0E07F /FG;IGF12B05 8I;56: 4;6G0570I1< G6:0H16G 2 :6;06: I8 DIG06: I8 :6C61K42;2B676; ;64;6:617270I1 L07/ >108I;B 6?46;0B6172E G6:0H1 244;I25/ 21G 4;6:6176G 2 :67 I8 6:70B270I1 8I;B>E26 7/;I>H/ :764L0:6 ;6H;6:! :0I1 B67/IG L07/ 7/6 5IB4>76G /FG;IGF12B05 8I;56: I8 7/6 :6;06: DIG06:+ 3>5/ 8I;B>E26 ;6E276G 7I B216>! C6;2D0E07F 2;6 M>076 5IB4270DE6 L07/ 7/27 I8 ;6:0:72156 21G L0EE D6 C6;F >:68>E 01 7/6 I470B0N270I1 I8 7/6 IC6;2EE 46;8I;B2156 I8 :>DB2;016 G6:0H1+ <%9 =+(:&> :>DB2;016O &’(O B216>C6;2D0E07FO /FG;IGF12B05 8I;56:O 1>B6;052E :0B>E270I1O 61H0166;01H 6:70B270I1
4)** 和 567/80的近期工作 &
本文以数值方法预报了 ’ !( 椭 球 体 带 攻 角 绕 流 场 和 $19:%’8( #;<:=## 主 艇 体 的 操 纵 性 水 动 力 $ 与试验结果相比符合较好 $ 表明该数值方法对潜艇主体操纵性水动力预报具有较好的精度和适用 性 & 然后 $将该数值方法应用到系列模型的水动力预报中 $ 辅助建立了潜艇主体操纵性水动力的工程 估算公式 &
! 数值方法
!"# 控制方程
对瞬时不可压缩流动控制方程进行时间平均 $ 得时均的连续方程 !
!!" >? !#"
及时均的 BC; 方程D 即雷诺平均 BC; 方程 @4EB;F
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!! !!" !! G!% " >C ( !’ G ! ! ( C!("!&" !$ !#& ! !#( !#& !#&
$ 椭球体 !%!&"带攻角绕流数值计算分析
$"& 计算对象及网格划分 7!8 椭球体 %!98%(:; ’"#9!%<"8=7& 本文对回转体 # 椭球体 (>?+@A7<8()B@CDD 主体和系列回转体 $ 带攻角绕流的数值模拟都采用 E2 C 型 # 纵向2 周向 $ 网格形式 ’计算域向首部和径向延伸 < 倍模型长度 ’向尾部延伸 ( 倍模型长度 & 椭球体绕流计算的网格划分数量为 (: 万左右 & $"! 绕流场计算结果 #8 $ 计算与试验流谱的对比分析 从椭球 !9<=#绕流定性地来看 # 图 8$’ 本文的数值方法对三维分离流动的预报与试验符合较好 & $F 绕椭球体流动的三维分离形式为开式分离 ’ 极限流线由首部汇聚到三维流动分离线 ’ 从分离线
/5 试验结果
图 , !E#(+5--* 处截面流线和速度云图 1!(*+#D
#345, 6789.: ;3<9= .<> ?9;@A37B A@<7@C8 3< =9A73@< !E#(+5--* 1!(*+#D
&, ’ 壁面压力分布计算与试验的对比分析
.5 以整体来看 $壁面压力分布的数值预报结果与试验符合较好 &图 % ’( /5 两截面处周向角 ’&+#附近的低压区是以低压为中心的初始分离涡影响的结果 $ 在 !E#(+5& 截面
作者简介 & 潘子英 !"QPQK(" 男 " 中国船舶科学研究中心硕士研究生 $
第!期
潘子英等 ! "#$ 在潜艇操纵性水动力 "
%&
充分 # 准确地反映艇型的变化 $ 而且其适用性和预报精度有限 $ 达不到多方案优化选型的工程实用精 度 % 模型试验周期长耗资大 $往往难以满足多方案优化选型的进度要求 & 而当今计算流体力学的飞速 发展及其在潜艇操纵性水动力预报方面的应用为解决以上困难开辟了有效的新途径 & 潜艇操纵性水动力的数值计算以往主要采用势流方法 $ 近年来由于计算机技术和计算流体力学 的迅猛发展 $ 基于粘流计算的水动力预报方法才得以实现并获得了较大进展 & 潜艇操纵性水动力数值 预报由早期的只针对主艇体水动力数值预报发展到可以对全附体操纵性水动力以及自航模运动进行 数值预报 & 潜艇作操纵运动时 $ 作用在主体上的水动力是潜艇总水动力的主要组成部分 $ 而且流动现象极为 复杂的三维分离流动也主要发生在主体上 $ 这种分离流动是潜艇非线性水动力的重要来源 $ 所以主体 水动力预报的准确程度将直接影响到全附体潜艇水动力预报的精度 &