1、簡述

水下航行器（UUV）作為一種海洋探測裝備，具備體積小、隱身性好、機(jī)動性強(qiáng)、成本低和可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得它們在海洋探索、科學(xué)研究、軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其在現(xiàn)代海洋探測和軍事領(lǐng)域中占據(jù)著越來越重要的地位。

水下航行器在航行時，會受到水流的阻力，其在航行過程中的阻力性能會影響其快速性, 水下航行器的快速性是評價其綜合航行性能的一項(xiàng)重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。隨著各種反潛設(shè)備的發(fā)展，水下航行器的航行安全問題不容忽視，提高航行器的快速性已經(jīng)成為各國重要的軍事研究課題，因而對其阻力的預(yù)報精度也有了更高的要求，suboff潛艇作為一種常見的水下航行器模型，曾在國際上被各大海洋強(qiáng)國進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，本文以suboff模型對水下航行器阻力計算展開介紹。

2、計算方法

2.1幾何模型

在本研究中，在數(shù)值模擬中主要考慮的模型為全附體 SUBOFF 模型（配置8）[1]。設(shè)計的 CAD 模型的尺寸如圖1所示。SUBOFF 模型是一個軸對稱船體，總長度為 4.356 m，等直段最大直徑 D 為 0.508 m。SUBOFF 型號在船體上方有一個艦橋，其前緣位于距船頭 0.924 米（1.820D）處，后緣距離 1.293 米（2.545D），因此艦橋的總長度為 0.368 米（0.724D）。船尾有四個相同的附件，呈“十”字形布置（垂直和水平控制平面）。

圖 1 具有完全附體suboff潛艇模型/側(cè)視圖（左）和正視圖（右）

2.2 數(shù)值方法

在本研究中，數(shù)值模擬的湍流雷諾數(shù)均在107以上，采用了RANS方程求解，其以笛卡爾張量形式書寫的連續(xù)性和動量方程分別如下：

其中，ρ 是體積分?jǐn)?shù)平均密度；u 是流動速度，可以分解為均值 和波動分量u’；p 是壓力項(xiàng)；μ 是動力粘度。

方程（2）中的最后一項(xiàng)表示湍流的影響，稱為雷諾應(yīng)力。基于 Boussinesq 假說 [2] 的雷諾應(yīng)力與平均速度梯度相關(guān)，能夠以如下公式給出：

其中，μt表示湍流粘度，k表示動能，在湍流求解時，需選擇合適的湍流模型，以構(gòu)建μt和k相關(guān)的湍流封閉方程。

3、深水自航

潛艇在深水區(qū)的潛航實(shí)際上是一個典型的繞流問題，對于繞流問題以及關(guān)于阻力問題的求解，一般采用的湍流模型為SST k-ω湍流模型，然而在關(guān)于該問題的求解中，采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型較SST k-ω湍流模型所得計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合得更好，這可能是流動雷諾數(shù)較大引起的。

在計算過程中選取的計算域如下圖 2所示（實(shí)際計算時采用半模計算）。計算域被設(shè)計為圓柱形，確保流動場的長度適合捕捉流動場特征，例如在任何速度下潛體后面的尾流效應(yīng)。數(shù)計算域的長度設(shè)置為23.96米（約為艇長長度的5.5倍，即5.5L）。Moon等人[37]指出，對于潛體的CFD建模，流動場的寬度和高度可以設(shè)置為其直徑的七倍（7D）。換句話說，如果計算域的高度和寬度都設(shè)置為模型直徑的19倍（19D），數(shù)值流動場的模擬結(jié)果將進(jìn)一步確保不受計算域邊界的影響。同時圖3顯示了速度入口與壓力出口（B.C.1和B.C.4）作為流體域兩端的進(jìn)/出口邊界條件。同時，在外部流體區(qū)域的外邊界上確定了自由滑移壁（B.C.2）。為了考慮粘性流動對剛體的影響，無滑移壁邊界條件（B.C.3）應(yīng)用于內(nèi)部流體區(qū)域中的潛體表面。

圖 2 計算域的側(cè)視圖（左）和前視圖（右）

對于CFD仿真過程中的網(wǎng)格收斂性問題，分別采用了五套不同的網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行計算驗(yàn)證，表 1給出了五套不同網(wǎng)格的計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)給定的五套網(wǎng)格計算結(jié)果的最大偏差在0.6%，最終選用的網(wǎng)格為網(wǎng)格3，圖 3給出了艇體壁面網(wǎng)格、艇體附近對稱面以及圍殼前緣的壁面網(wǎng)格示意簡圖。

表 1 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證 圖 3 網(wǎng)格示意簡圖

圖 4給出了各不同航速下，計算值與實(shí)驗(yàn)值的對比圖，具體數(shù)據(jù)可見表 2，可以發(fā)現(xiàn)各航速下計算值均比實(shí)驗(yàn)值偏小，最大偏差在5%以內(nèi)。

圖 4 計算值與實(shí)驗(yàn)值對比曲線 表 2 計算值與實(shí)驗(yàn)值數(shù)據(jù)對比

圖 5給出了不同航速下，艇體上的壓力分布以及中心對稱面上的速度分布，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，航行速度的變化對淹沒艇體周圍的壓力分布影響不大。壓力最高的區(qū)域是艇體頭部、圍殼的前緣和尾舵的前緣。此外，在流速加快的地方，如艇體頭部、圍殼和尾舵附近，觀察到了低壓區(qū)，而在中部區(qū)域沒有明顯的壓力變化。

圖 5 不同航速下，艇體上的壓力分布以及中心對稱面上的速度分布

4、水面附近的自航

潛艇水面附近的自航可以分為水面下自由航行與水面上自由航行，其區(qū)別為艇體部分是否存在裸露于空氣中的部分，其計算域如下圖 6所示。

圖 6 潛艇水面附近自航計算域示意圖（h> 0：水下，h<0：水上）

其中波長的計算可以由以下公式計算得出，當(dāng)Fr=0.462，L=4.356m時，計算得到的波長λ=5.842m。

由于僅找到了裸艇體在水面下自航時的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此以裸艇體模型展開計算與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，表3給出了計算值與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果對比，計算值較實(shí)驗(yàn)值吻合較好，計算值偏小約7%。圖7給出了對應(yīng)的自由液面位置云圖。

表 3 計算值與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果對比（裸艇體） 圖 7 自由液面位置云圖（水下）

同樣的，采用相同的方式對全附體模型建模，計算其水面上自由航行情況下的自由液面位置如下圖 8所示。

圖 8 自由液面位置云圖（水上）

參考文獻(xiàn)

[1] Roddy, R.F. Investigation of the Stability and Control Characteristics of Several Configurations of the DARPA SUBOFFModel (DTRC Model. 5470) from Captive-Model Experiments; David Taylor Research Center Bethesda MDShipHydromechanics Dept: Annapolis, MD, USA, 1990.

[2] Hinze, J. Turbulence; McGraw-Hill Publishing Co.: New York, NY, USA, 1975.

審核編輯 黃宇