桨-舵间距和雷诺数对潜艇尾部伴流场均匀性的影响研究

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1、第26卷第2期应用力学学报Vo1．26No．22OO9年6月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSJun．2009文章编号：1000—4939(2009)02—0343—05桨一舵间距和雷诺数对潜艇尾部伴流场均匀性的影响研究吴晓光吴方良(中国舰船研究设计中心430064武汉)摘要：采用Realized肛￡湍流模型求解Reynolds平均Navier-Stokes方程，对SUB0FF全附体模型在低雷诺数和高雷诺数条件下的三维粘性流场分别进行了数值模拟，研究了桨一舵间距以及雷诺数对螺旋桨盘面伴流场的影响。计算结果

2、表明：适当的加大桨一舵间距对提高潜艇尾流场的均匀性有显著的效果；桨一舵间距对潜艇桨盘面伴流场均匀性的影响在潜艇的低雷诺数状态和高雷诺数状态具有同样的规律。关键词：潜艇尾流场；雷诺数；桨一舵间距；数值计算中图分类号：TB126文献标识码：A征长度的雷诺数较低(Re~6×10)，而潜艇实艇航行1引言时，以潜艇总长为特征长度的雷诺数则很高(R1×10)。因此，根据潜艇模型在拖曳水池进行对潜艇周围的流场信息特别是尾部流动特性进试验得出的尾流场随桨一舵间距变化的规律和通过优行研究一直是潜艇设计和流体力学领域的一项重要化潜艇模型附体的线型以及主附

3、体结合形式所达到课题。当潜艇尾部螺旋桨盘面处伴流场不均匀和不的改善尾流场的效果对实艇航行时的尾流场是否具稳定的时候，螺旋桨就会产生较高的离散噪声和低有同样的影响是必须研究的问题。频宽带噪声，同时也会降低螺旋桨的推进效率，因而本文采用数值计算方法对潜艇以模型雷诺数和潜艇尾部流动特性是优化设计螺旋桨的主要依据。实艇雷诺数航行时的三维粘性流场进行了模拟，根弄清潜艇的尾部流动特性，对设法提高螺旋桨的推据数值计算的结果，研究了桨一舵间距以及雷诺数高进效率、减振降噪具有很重要的意义。低对潜艇尾流场的影响规律。潜艇的主艇体通常为理想回转体或近似的理

4、想回转体，潜艇尾部伴流场的不均匀性和不稳定性主要2计算对象是由于指挥台围壳和尾部操纵舵的存在而引起的。螺旋桨盘面与尾舵之间的距离对桨盘面的伴流场具本文采用SUBOFF的全附体模型进行模拟计有很大的影响，因为从理论上讲，距离潜艇尾操纵舵算。SUBOFF项目是有美国高等研究计划署无穷远的地方其流场必然是均匀且稳定的，但是从工(DARPA)提出的，其目的就是为潜艇设计提供水程上讲，必然有一个合适的桨一舵间距，既能使桨盘面动力与尾流场信息。世界上许多国家的船池，尤其处尾流场的不均匀性和不稳定性降低到一定的程度，是美国的Taylor船池以SUB

5、OFF模型作为标准模又能从总体布置和结构振动上满足工程要求。在拖型进行系统的水动力与流场的测量试验工作，提供曳水池进行潜艇流体性能试验时[1]，以潜艇总长为特了包括速度、压力、摩擦阻力、雷诺应力等大量的水*来稿日期：2007-10-24修回日期：2008—09—26第一作者简介：吴晓光，男。1960年生，博士。中国舰船研究设计中心，研究员；研究方向——船舶工程研究。E-mall。wXG一701@163．coln344应用力学学报第26卷动力和流场数据，可作为验证数值计算程序的参是相同的，即假定是各项同性的标量。而在弯考。SUBOFF主

6、艇体总长为4．356m，其中前体长曲流线的情况下，湍流是各项异性的，应该是各项1．O16m，平行中体长2．229m，后体长1．11lm，最大异性的张量。直径为0．508m。与标准￡湍流模型现比，RNGk-~湍流模型主要变化是：①通过修正湍流粘度，考虑了平均流动3潜艇三维流场计算的数学模型中的旋转及旋流流动情况；②在e方程中增加了一项，从而反映了主流的时均应变率E所以，RNG3．1控制方程k-e模型中产生项不仅与流动情况有关，而且在同一不可压缩流体的连续性方程问题中也还是空间坐标的函数。这样RNGk-e模型dui可以更好地处理高应变率及

7、流线弯曲程度较大的流-一0(1)dXi动。但是RNG肛e模型对近壁区的流动及Re数较低RANS方程为的流动，必须使用壁面函数法或低数的k-e模型a．一aa．10十~us一一十来处理。文献[6]指出：标准k-e模型对时均应变率特别3—xi—3xi—一lD—+十PJf(2‘)大的情形，有可能导致负的正应力。为使流动符合湍流的物理定律，需要对正应力进行某种数学约束。为其中：为雷诺平均速度；U为脉动速度，脉动速度保证这种约束的实现，文献ET]认为湍动粘度计算相关项一

8、0称为雷诺应力(ReynoldsStress)。式中的系数C不应是常数，而应

9、与应变率联系起3．2湍流模型来，从而提出了Realizablek-e模型。在Realizablek-~考察RANS方程(2)，可知，方程中有关于湍流模型中，关于k和e的输运方程为[8]。脉动值的Reynolds应力项一I