基于fluen的船运动升沉力分析

基于fluen的船运动升沉力分析

纵射才子是充分性能的重要组成部分。它是安全飞行的重要保障，充分发挥其作战技术的优势，也是全球海洋性能设计的重点。目前,潜艇操纵性设计计算主要依靠模型试验方法。由于国内现有的潜艇操纵运动水动力估算公式形式简单,不能充分、准确地反映艇型的变化,而且实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;另外,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。为此,首先针对某模型艇采用前处理软件GAMBIT建模、FLUENT求解器进行计算,分别得出不同漂角下运动的升沉力系数和表面压力分布,结果与试验及理论计算结果吻合较好。在此基础上,对作操纵运动的潜艇主体和带附体的全艇体,在一定攻角和漂角下的垂向力、俯仰力矩和横向力、纵倾力矩进行计算,取得了工程上较为满意、实用的精度,为解决潜艇操纵运动水动力预报的困难进行了有益的探索。1数值方法1.1rans方程及雷达计算对于潜艇粘性绕流,在定常假设下,对不可压缩流动控制方程进行时间平均,应用雷诺时均计算法则,可得RANS方程及雷诺时均连续性方程式中:ui——笛卡尔坐标系中xi方向的速度分量(i,j=1,2,3);p——流体压力;ρ——流体密度;ν——流体运动粘性系数;-¯u′iu′j−u′iu′j¯¯¯¯¯¯¯¯——雷诺应力项;fi——体积力。1.2k和的输运方程由于RANS方程的不封闭性,必须采用一定的湍流模型来确定雷诺应力。选用湍流模型为标准模型,它是由LaunderandSpalding于1974年提出的。k和ε的输运方程如下式中:pk——湍流动能生成项。采用k-ε湍流模型后表示的RANS方程可改写为上述方程中,cμ、c1ε、c2ε、σk、σε均为经验常数,分别取cμ=0.09,c1ε=1.44,c2ε=1.92,σk=1.00,σε=1.30。2计算水动力值2.1水平尾翼型用于计算的潜艇模型是一回转椭球体(配置矩形指挥台和水平尾翼)。该椭球体长1600mm,最大直径170mm;指挥台弦长204mm,中弦截面展长108mm;水平尾翼为NACA0015翼型,弦长110mm,中截面展长74mm,并假定潜艇重心在椭球体中心。具体几何尺寸见图1。在分析模型艇几何特征的基础上,为了保证计算结果的准确,严格按照模型的尺寸,利用FLUENT的前处理软件GAMBIT建模、划分网格,共生成1092573个四面体非结构网格单元。2.2规范的漂角求解区域为一圆柱体,Lh为艇体长度,见图2,其边界范围为求解区域的边界包括物面、来流速度进口、压力出口。计算模型艇航速为0.8m/s,潜深为1.6m(忽略自由液面对潜艇粘性绕流的影响)。考虑模型运动无攻角有漂角的情况,对该艇在漂角为0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°的情况下分别计算。采用FLUENT求解器求解流动控制RANS方程,在计算过程中对各种情况均选取标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE法进行压力场和速度场的耦合,对流项的离散采用一阶迎风差分。2.3小漂角情况下的仿真结果经计算,分别得到该模型艇在漂角为0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°下运动的升沉力系数,见图3。为了便于比较,把试验结果、Spangler方法计算结果和文献中采用三维方法的计算结果也在同一图中给出(考虑到图形中曲线较多,为清晰起见,FLUENT计算的结果仅以点的形式给出,未连成曲线)。另外,图4～6分别为漂角为12°时艇体表面静压力、动压力和总压力等值线分布图。不难看出,FLUENT理论计算结果与其它结果相比,趋势较一致,在漂角增大到一定程度(10°)时,计算精度要明显优于其它数值方法,其值与试验结果很接近,再次证明了FLUENT软件处理这一类问题的有效性。但是,在小漂角情况下,本方法能提供的精度还不甚满意,特别在2°的时候与试验结果相差甚至达到50%,不如其它数值方法计算的精度。究其原因,可能是由于计算航速过低或计算参数的选取不当有关,需在下一步的研究中加以改进。对艇体表面的压力分布,作者选取漂角为12°时的这种情况(因为从升沉力系数的计算来看,此时结果最为合理)进行分析。可以看出,在艇体表面压力分布的“敏感区域”,如艇首、指挥台附近以及艇尾部分,压力(动压力、静压力、总压力)等值线分布图均能较好地模拟实际情况。3潜艇(主体)操纵运动水动力数值计算为了探讨本方法对潜艇主体操纵性水动力预报的应用能力和预报精度,对优化后的某水滴型潜艇,在攻角为0°、1°、2°、3°、4°、6°、8°、10°、12°时进行计算,得到其所受的垂向力和俯仰力矩系数值,并与文献给出的试验结果进行比较(见图7、8)。接着,又对同样的模型,在漂角为0°、1°、2°、3°、4°、6°、8°、10°、12°时进行计算,得到其所受的横向力和偏航力矩系数值,并与经验公式估算结果进行比较(见图9、10)。为检验本方法对带全附体潜艇操纵运动水动力的预报精度,本文选取带指挥台、围壳舵以及尾翼的某水滴型潜艇在攻角和漂角均为10°的情况下进行计算,得到其垂向力系数(Z′)、俯仰力矩系数(M′)和横向力系数(Y′)、偏航力矩系数(N′),并与经验公式估算结果进行比较,见表1。从以上操纵运动水动力的预报情况来看,本文的数值方法对潜艇(无论带附体与否)的水动力预报具有良好的精度,误差均在20%以内。但同时注意到,随着运动攻角(漂角)的增大,计算误差有扩大的趋势。这可能是由于潜艇大攻角(漂角)运动时水动力的强非线性所致,下一步工作可从湍流模型和计算参数的选取上加以改进