消涡整流片对潜艇马蹄涡的控制及其与辅翼效果的比较

消涡整流片对潜艇马蹄涡的控制及其与辅翼效果的比较 消涡整流片对潜艇马蹄涡的控制及其与辅 翼效果的比较 第l5卷第1O期 2011年10月 V0l_15No.10 0ct.2011 文章编号:1007—7294(2011)10一l1O2—08 消涡整流片对潜艇马蹄涡的控制 及其与辅翼效果的比较 刘志华,熊鹰 (海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033) 摘要:潜艇桨盘面伴流是潜艇螺旋桨的进流,其周向均匀性与螺旋桨的振动与噪声直接相关.文章在阐明潜艇主 附体结合部马蹄涡对潜艇伴流影响和消涡整流片的作用原理的基础上,针对SUBOFF模型的几何特点,了 一 套消涡整流片,运用分离涡方法计算了消涡整流片对桨盘面速度分量周向不均匀性的抑制作用,并与辅翼的 整流作用进行了比较,结果明,消涡整流片效果相对较好,可使周向不均匀性下 80%,且整流片的整流 降50%, 效果具有较好的稳定性. ;尾流不均匀性 关键词:消涡整流片;潜艇马蹄涡;辅翼 中图分类号:U661.3文献标识码:A 1??l1?1???' 0mparison0nmeSUbmarlnen0rsesnoevortexC0ntro! effectsbyvortexcontrolbafflersandfillets LIUZhi—hua,XIONGYing (CollegeofNavalArchitectureandPower,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China) Abstract:Thesubmarinewakeatthepropellerdiscistheinflowofthesubmarinepropeller,thecireum— ferentialuniformityofthewakehasdirectinfluenceonthevibrationandthenoiseofsubmarinepropeller. Theeffectofthehorseshoevortexgeneratedatthebody— appendagejunctionsonthesubmarinewakeisil— lustrated.aswellasthemechanismofthevortexcontrolbafflers.Asetofvortexcontrolbameradaptedfor SUB0FFmodeliSdesigned.ItseffectiSnumericallysimulatedbyDetachedEddiesSimulationmethod. whichiScomparedwiththatofthefillets.Theresultsshowthatthevortexcontrolbafflerhasrelativelybet. terperformance.andtheeireumferentialnon— uniformityofthevelocitycomponentcouldbedecreased about50%一80%.andtheeffectofvortexcontrolbaffleriSverystable. Kevwords:vortexcontrolbaffler;submarinehorseshoevortex;fillets;circumferentialuniformity 目 潜艇是一种具有良好隐身性和强大突袭能力的海战装备.自第二次世界大战以来, 随着新型军事 装备技术的全面快速发展,现代化海战对潜艇综合性能的要求越来越高.潜艇的隐 身性能和水动力性 能作为保障潜艇完成其作战使命的基本性能,日趋受到各海军强国的重视.进人二 十一世纪以来,尽 收稿日期:2010—07—19 基金项目:上海交通大学海洋工程国家重点实验室开放课资助项目(1003) 作者简介:刘志华(1981一),男,海军工程大学讲师,博士研究生;熊鹰(1958一),男,海 军工程大学教授 博士生导师. S C n a h C 学 力.白h冉S船 a nr U 0 第10期刘志华等:消涡整流片对潜艇马蹄涡的…1103 管探潜技术日趋向多样化发展,但潜艇噪声仍然是目前潜艇探测所依靠的主要信号特征,继续降低潜 艇噪声仍然是高技术潜艇的重点发展方向之一.螺旋桨噪声是潜艇的三大噪声源之一.螺旋桨工作于 潜艇的尾流区中,潜艇尾流品质与螺旋桨的噪声有直接的关系.由于潜艇尾流高度的周向不均匀性, 使得该处工作的螺旋桨桨叶剖面在旋转过程中受到的来流攻角和速率剧烈变化,导致叶剖面上产生 的推力和扭矩也随之发生变化,从而产生了螺旋桨的转动噪声和艇尾壳体激励振动噪声,同时进流条 件的高度不均匀性还会对螺旋桨空泡噪声特性有明显的影响,因此减小潜艇尾流的周向不均匀性是 降低潜艇螺旋桨噪声的重要途径. 潜艇尾流高度的周向不均匀性是由于其几何外形特点决定的.典型的潜艇都是由 一主艇体与指 挥台围壳,尾翼等附体组成,在主艇体与指挥台围壳,尾翼等附体的接合部,由于形状的突变,潜艇表 面湍流在生成与发展的过程中受到干扰,形成特殊的马蹄涡结构,马蹄涡强度高,耗散弱,当马蹄涡传 播至螺旋桨盘面处时,与主艇体尾流,附体尾流发生相互作用,使得潜艇尾流成为以湍流脉动,粘性效 应和漩涡运动为特征的复杂流场区域,导致潜艇尾流严重的不均匀性.国际上在开展潜艇尾流形态特 征研究的同时,也对潜艇尾流的控制方法进行了大规模的研究,并得到了一些潜艇尾流控制的具体技 术措施.总的指导思想是在不改变潜艇艇体和附体形状的条件下,通过设置附加装置来改善潜艇尾流 形态,使得潜艇桨盘面处流场的均匀性提高,从而降低螺旋桨噪声. 俄罗斯海军曾经在潜艇上使用过一种特殊的整流装置,该装置长为2m,高为0.5m,整个装置为流 线型设计,像盖子一样安装在艇体尾部离螺旋桨20%~30%的艇长处,有分析认为这种装置具有抑制 潜艇桨盘面流场不均匀性的功能口]. 李新汶[21,张楠l3基于主艇体与附体结合部设置辅翼的整流方法,采用数值模拟进一步研究了不同 的辅翼形状对尾流的整流效果;张楠还对指挥台围壳,尾翼前缘根部区域内的涡形态进行了显示. 本文分析了潜艇主艇体与附体结合部马蹄涡的特性,阐述了可抑制潜艇马蹄涡的新型消涡整流 方法的作用原理;运用分离涡(DES)计算方法,对全附体潜艇流场进行了数值模拟计算,比较了消涡整 流片与辅翼对潜艇马蹄涡的控制效果,展现了消涡整流片良好的降低潜艇尾流周向不均匀性,提高潜 艇螺旋桨人流品质的功能,有利于控制潜艇螺旋桨的噪声. 2马蹄涡的形态及消涡整流片原理 主附体结合部马蹄涡的产生是由于附体迎流面前方区域产生了较强的逆压力梯度,上游流体在 逆压力梯度作用下形成横向涡流,横向涡流受上游来流的冲击要向下游传播,但同时又受到附体的阻 碍,所以横向涡流的形状在附体首部发生弯曲,其旋转方向向纵向偏转,产生纵向涡.在这种情况 下,又因为附体两侧的形状类似于机翼的叶背,具有加速流体流动的作用,使纵向涡进一步拉伸,从而 形成了马蹄涡,马蹄涡形成后促使结合部发生三维边界层分离,而三维边界层分离又进一步增强马蹄 涡强度.图1为潜艇指挥台围壳与主艇体结合部马蹄涡形态.潜艇尾翼与艇体的连接也是一种主附体 连接形式,同样有马蹄涡产生,指挥台围壳处的马蹄涡与尾翼处的马蹄涡向下游传播,对潜艇尾流有 明显的影响. 根据主附体结合部马蹄涡的特点,本文设计了一种新型的消涡整流片,该消涡整流片安装在马蹄 涡出生区域,利用附体两侧绕流产生的横向速度分量以产生与马蹄涡旋转方向相反的"附涡",这两种 漩涡在向下游的发展过程中就会相互削弱,从而实现对马蹄涡的主动控制(如图2所示).在文献【5] 中,作者分别进行了该消涡整流片效果的试验验证和数值模拟,试验和数值模拟所用的模型都为潜艇 主艇体带指挥台围壳的简易模型,没有包含潜艇尾翼,且所进行的研究为针对这种简易模型在小尺度 (模型总长1.0m),低雷诺数(1.55x10)时的原理性研究.在此基础上,还需以其实用化为目标,开展全 附体,高雷诺数情况下的效果研究. 1104第15卷第l0期 图1指挥台围壳结合部马蹄涡的形成 Fig.1Horseshoevo~exatsail-bodyjunction 3DES方法对潜艇马蹄涡流场的模拟 y 图2消涡整流片产生的附涡(视图从尾向首) Fig.2Thegenerationofauaehedvo~exbyvoflexcontrol baffler(viewedfromafterbodytobow) 3.1DES方法 潜艇流场数值模拟是CFD方法的重点应用方向.BongRhee(2003)同,吴宝山(2005)[71,洪方文,常 煜[8]等人分别采用RANS方法,结合不同的湍流模型对类似潜艇主艇体的简单回转体和带附体潜艇流 场进行了数值模拟计算,研究了带附体潜艇的表面压力分布,局部摩擦阻力系数分布以及尾流伴流分 布.黄振宇基于对大涡模拟方法优势的分析,开展了大涡模拟在潜艇粘性流场计算中的初步应用研 究.大涡模拟方法将湍流流场中湍流脉动分为强烈依赖于流动边界,且对湍流脉动的动量和能量输运 过程起支配作用的大涡和主要起湍流耗散作用的小涡.在计算中只需要求解大涡的运动而将小涡对 大涡的影响通过亚格子雷诺应力来表达.大涡模拟方法具有直接求解大于网格尺度的湍流脉动的能 力,使其在湍流流场计算方面比求解雷诺平均N—S方程有明显的优势,但消耗的计算资源要大得多. 为了保证足够的计算精度并且降低计算资源的消耗,人们提出了一种综合应用RANS方法和 LES方法的计算方法一分离涡方法(DES).分离涡方法在壁面边界层中应用RANS 方法,而在边界层 以外流域应用LES方法,这样较好地发挥了这两种方法的优点. 潜艇流场中的马蹄涡是一种强度高,持续范围广和对流场影响明显的漩涡,采用DES方法可以对 这种漩涡运动进行较为准确的模拟. DES方法是LES方法和RANS方法的组合,即RANS在湍流边界层内起作用,LES在外域流场起 作用,这样就需要一种转移函数来控制湍流流动方程在两种方法之间的转换. 由于LES方法和URANS&S—A方法中都包含流场中计算节点到物面的距离d,DES将d用d代 替,令:d=min(d,A). ?是计算网格单元在,Y,方向上最大的距离. 当d=d时,计算模型为URANS模型;当d=C?时,计算模型为LES模型. Ericf01和MichaelE"】对运用DES方法进行流场模拟的细节进行了详细的描述. 各流动控制方程和湍流方程采用有限体积法进行数值离散.方程中的对流项采用二阶迎风差分 格式离散;扩散项采用中心差分格式离散;时间项采用二阶隐式差分格式离散;压力速度耦合方程采 用PISO法求解.数值离散后的代数方程组用Gauss—Seidel迭代法求解,并以多重网格技术加速迭代 收敛. 第1O期刘志华等:消涡整流片对潜艇马蹄涡的…1105 3.2全附体SUBOFF计算模型与计算网格 SUBOFF模型为美国大卫?泰勒研究中心(DTRC) 为了获得有效的潜艇流场模拟仿真方法而建造的一条 潜艇试验模型,由于该模型进行了大量的流场与阻力 测量试验,所以成为国际上开展潜艇流场计算研究的 标准模型.SUBOFF模型总长4.356m,其艏部长为 1.016m,平行中体长为2.229m,艉部长为1.11lm,中部 最大直径为0.508m,指挥台围壳高0.206m,长0.368m, 最大厚度0.066m. 计算网格的划分采用多块结构化网格生成方法. 由于边界层流动的计算采用RANS方法,计算网格节 点的布置应保证艇体平行中体处表面法向第一层网格 图3全附体SUBOFF模型流场计算网格 Fig.3Computationalgridforfullappended SUBOFFmodel 中心点到艇体表面的无因次距离为:Y1;在由LES方法计算的边界层的外域,LES方法的特征尺度 d=Cje?max{??,?},所以网格单元在3个方向上的长度应处于同一水平上.为了在满足DES方法 计算精度要求的条件下尽量减小计算资源消耗,采用重叠网格方法将计算关注的流场区域与非关注 流场区域的网格作不对称处理(如图3所示). DES非定常计算中时间尺度需要与网格的空间尺度平衡.考虑时间过滤尺度可引入CFL(Courant A1ITTI FriedrichsLewy)数,c见==,式中dt为时间步长;IU『为当地速率;?为LES特征尺度.当 CFL1时就可保证时间过滤尺度与空间过滤尺度的平衡. 为了与试验结果进行比较,本文在数值模拟计算中,以模型总长为特征长度的雷诺数设置为1.2× 10.网格总数为9130425;时间步长为2.5xlO-4s;为了缩短计算时间,首先运用RANS方程进行定常 流场的计算,达到稳定后,将计算结果作为DES方法非定常计算t=0s时刻的初始值. 3.3计算结果与分析 图4给出了雷诺数为1.2x10时SUBOFF模型距艇艏部端点x/L=0.978的桨盘面 处无因次轴向速 度/的分布.图5给出了r/R=0.25处无因次轴向速度随周向角变化曲线的计算结果与风洞试验结 果的比较.比较结果表明DES数值模拟计算结果与试验吻合良好. 图4桨盘面无因次轴向速度等值线的分布(计算结果)图5轴向速度计算结果与试验值的比较(r/R=0.25) Fig.4Iso—contoursofnon—dimensionalaxialvelocityatFig.5Comparisonontheaxialvelocitybetweenthecal— propellerdisc(calculatedresults)culatedresultsandtestedresults(r/R=0.25) 从图4,5可以看出,在指挥台围壳,尾翼与主艇体结合部对应的区域,速度等值线有明显的隆起, 1106第15卷第1O期 这反映了马蹄涡在该处对流场的影响.即马蹄涡将外半径速度较高的流体带入到内半径,同时将内半 径速度较低的流体带入到外半径,使得速度等值线发生弯曲,造成了桨盘面流场明显的周向不均匀性. 4消涡整流片对马蹄涡的控制及其与辅翼效果的比较 从图2可以看出,要产生有利的附涡,消涡整流片需要安装在附体与马蹄涡涡核位置之问,且能 充分吸收附体首部绕流中的横向速度分量.根据指挥台围壳,尾翼的形状与尺寸,分别设计了相应的 消涡整流片,SUBOFF模型指挥台围壳处与尾翼处的消涡整流片尺寸与安装位置如图6,7所示,设置 消涡整流片后的SUBOFF模型如图8所示. (a)侧视图(sideview)(b)俯视图(verticalview) 图6指挥台围壳处消涡整流片 Fig.6Thevortexcontrolbafflerssetatthesail—bodyjunction 图7尾翼处消涡整流片 Fig.7Thevortexcontrolbafflerssetatthestern foil—afterbodyjunctions 图8带整流片的SUBOFF模型 Fig.8TheSUBOFFmodelwithvortex controlbafflers 图9围壳处辅樊图10尾翼处辅翼 Fig.9ThefilletofthesailFig.10Thefilletsofthesternfoil 同时,为了比较消涡整流片与辅翼的效果,开展了带辅翼的SUBOFF流场计算,文献[2】结果表明, 辅翼的前伸长度较长时能较好地提高螺旋桨盘面流场均匀性,本文的计算中,指挥台围壳处的辅翼前 伸长度为围壳最大厚度的3.5倍,尾翼处的辅翼前伸长度为尾翼最大厚度的3.4倍,表面网格如图9, 10所示. , 第10期刘志华等:消涡整流片对潜艇马蹄涡的…1107 运用DES方法,进行了雷诺数1.2xlO'时各状态全附体SUBOFF模型的流场.图11,12给出了3 种状态下SUBOFF桨盘面r/R=0.25,r/R=0.3,r/R=O.4处流体的轴向和周向速度分量随周向角的变化曲 线,由于潜艇螺旋桨的直径一般都不会超过主艇体最大直径的40%,故以上3种半径涵盖了对潜艇螺 旋桨性能有意义的半径范围. 0.7 O6 S 0.5 0.4 — 90.60.30o3O6090 . (a)r/R=0.25 0050 0025 0000 . 0.025 . 0.050 - O.85 OB0 0.75 卜, ,0.70 065 O.6o O7 0.6 , O5 - 9o-60-3O03O609o 0/~ (b)r/R=0.3 . 90.60.3003O6090 0/o c)r/R=0.4 图11轴向速度变化曲线的比较 Fig.11ComparisonOiltheaxialvelocityCUl'Ves 一无整流装置 6/o (a]r/R=0.25 O.O2 O.OI 0.00 . O.0l - 0.O2 O03 OO2 0.Ol 0.00 . O01 . 0.O2 . O.O3 ? - 90-60-300306O90 . (C)r/R=0.4 图12周向速度变化曲线的比较 (b)r/R=O.3 Fig.12Comparisononthetangentialvelocitycurves 1108船舶力学第15卷第10期 从图11,12可以看出,消涡整流片具有优良的减弱马蹄涡对尾部流场影响,并提高桨盘面周向均 匀性的效果.主附体结合部辅翼的设置也可控制马蹄涡的强度,对桨盘面流场具有整流作用,这与李 新汶【2J,张楠【3】等人的研究结论相符合.两种方法效果的比较表明,消涡整流片可达到更好的改善潜艇 螺旋桨盘面处流场品质的作用. 为了定量描述消涡整流片的效果,根据潜艇的尾流场特点,提出了流场速度分量的周向不均匀度 系数的表达式为:u池=(Uimax--U)/,式中,"为流体速度分量峰值,为流体速度分量谷值,为 无扰动时来流速度,i分别代表,0.各状态全附体SUBOFF模型桨盘面流场的周向不均匀度的比较如 表1所示. 表1潜艇桨盘面速度分量不均匀度的比较 Tab.1Comparisononthecircumferentialnon-uniformityof velocitycomponentsatpropellerdisc 表l说明消涡整流片的应用使得全附体SUBOFF模型桨盘面流场的周向不均匀性大幅度降低, 且在对螺旋桨有意义的半径范围内,半径越大效果越好.这显示了消涡整流片明显提高了潜艇螺旋桨 的进流品质,会起到减小螺旋桨桨叶的非定常力变化范围,改善螺旋桨振动与噪声性能的作用. 5雷诺数的变化对消涡整流片效果的影响 对于度潜艇而言,在水下航行时,以艇总长为特征长度的雷诺数可达到l0.至10量级,本文 关于运用消涡整流片技术控制潜艇主附体接合部马蹄涡,改善桨盘面流场品质的研究中,雷诺数为 l0量级,因此超高雷诺数下整流片效果的研究是十分有必要的.并且实际情况下, 潜艇经常需要改变 航行速度,其雷诺数是不断变化的.基于上述原因,运用数值模拟方法进行了增大 雷诺数对潜艇整流 片效果的影响研究. 根据DES方法对计算网格的要求和计算条件的限制,以全附体SUBOFF模型为对 象,进行了来 流速度8.304m/s,雷诺数3.6x10时的建模和计算,计算网格达到26769358,计算时 间步长为1.Ox 槲 逝 司 褂 世 l— d 0.20.30.4 r|R 图13雷诺数对A降幅的影响 Fig.13InfluenceofReynoldsnumberonux? decline 0.20.30.4 r|R 图14雷诺数对"降幅的影响 Fig.14InfluenceofReynoldsnumberon/Ldecline %%%%%O ???柏加 %%%%%O ?踟?加加 第10期刘志华等:消涡整流片对潜艇马蹄涡的…1109 10-4S,计算在HP工作站上进行. 整流片的尺寸和安装位置参数与雷诺数1.2x10时完全相同. 将雷诺数为3.6x10'时,设置整流片前后桨盘面流场的轴向,周向速度分量的周向不均匀性进行 对比,并按照第4节的公式计算了轴向和周向速度分量的不均匀度系数.图13,l4为雷诺数3.6x10与 雷诺数1.2xlO下,SUBOFF模型桨盘面处轴向,周向速度分量的周向不均匀度系数下降幅度的对比. 从图13,14可以看出,以全附体SUBOFF主艇体长度为特征长度的雷诺数从1,2x10变化到3.6x 10,整流片作用下桨盘面流场速度分量的周向不均匀性下降幅度变化很小,说明了新型整流片的效果 相对雷诺数的稳定性,整流片在实艇雷诺数时也可望获得较好的整流效果. 6结论 本文为了抑制全附体潜艇桨盘面处流体速度分量的周向不均匀性,设计了可削弱主附体结合部 马蹄涡特征的新型消涡整流装置,以数值模拟为基本方法,对整流片的效果进行了模拟计算,并与国 内外广泛研究的辅翼进行了对比研究,结果显示了消涡整流片具有一定的优势,可望成为降低潜艇螺 旋桨振动与噪声的一种新方法. 为了推进该方法的工程应用,还需结合实艇几何特征,开展消涡整流片的测量试验研究和设计研 究,为工程应用提供有意义的技术参考. 参考文献: [1】蔡明.俄罗斯现代潜艇设计管窥[J].舰船科学技术,2002,24(3):18-21. 【2】李新汶,陈源,王文琦.CFD在潜艇艉附体与艇体连接形式研究中的应用【J].船舶力学,2003,7(5):28-32. 【3】张楠,沈泓萃,姚惠之.潜艇阻力与流场的数值模拟与验证及艇型的数值优化 研究[J】.船舶力学,2005,9(1):1-13. [4]张楠,沈泓萃,姚惠之.用雷诺应力模型预报不同雷诺数下的潜艇绕流【J】.船舶 力学,2009,13(5):688—696. 【5】 LiuZhihua,XiongYing,WangZhanzhi,eta1.Numericalsimulationandexperimentalstudyonthenewmethodofhorse— shoevortexcontrol[J].JournalofHydrodynamics,2010,22(4):572-581. 【61BongRhee,ChaoHoSung,InYongKoh.ValidationoftheflowaroundanappendedSUBOFFbodyusingparallelization andanewwallmethod[C]#The8thInternationalConferenceonNumericalShipHydrodynamics.Busan,Korea,2003: 223—232. 【7】 WuBaoshan,XingFu,KuangXiaofeng,MiaoQuanming.Investigationofhydrodynamiccharacteristicsofsubmarinemov— ingclosetotheseabottomwithCFDmethods[J].JournalofShipMechanics,2005,9(3):19— 28. 【8】洪方文,常煜.均匀流中潜艇水下运动表面尾迹的数值模拟[J】.船舶力 学,2005,9(4):9-17. 【9】黄振字,缪国平.大涡模拟在水下航行体黏性流场计算中的应用【J】.水动力 学研究与进展,2006,21(2):190—197. 【10】PatersonEG,PeltierLJ,LeonardJP.Detached-eddysimulationofhJigh-Reynolds— numberbeveled-trailing—Edgebound- arylayersandwakes[J].JournalofFluidsEngineering,2005,127(3):897-906. 【11】KinzelMP,LindauJW,PehierLJ,KunzRF.Detached— eddysimulationsforcavitatingflows[C]#18thAIAACompu— tationalFluidDynamicsConference.Miami,USA,2007.