【摘 要】
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自主水下潜器作为一种重要的水下结构物形式,在国防军事领域、科学考察领域以及民用经济领域均具有广泛的应用前景。在水下结构物水动力性能设计的初始阶段,采用传统的设计方法,基于系统(System-based)简化数学模型并通过模型实验及水动力导数(Hydrodynamic Derivatives)回归可完成水下结构物的操纵性预报。此方法简单快速,但对结构物数学模型的准确性有较高要求且无法对潜器附近流场进
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自主水下潜器作为一种重要的水下结构物形式,在国防军事领域、科学考察领域以及民用经济领域均具有广泛的应用前景。在水下结构物水动力性能设计的初始阶段,采用传统的设计方法,基于系统(System-based)简化数学模型并通过模型实验及水动力导数(Hydrodynamic Derivatives)回归可完成水下结构物的操纵性预报。此方法简单快速,但对结构物数学模型的准确性有较高要求且无法对潜器附近流场进行详细分析。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics based)技术的发展和完善为操纵性预报分析提供新的思路。本文基于STAR CCM+平台及雷诺时均方法对全附体SUBOFF潜艇模型AFF-8进行操纵运动直接数值模拟研究,对潜艇实尺度模型及与其匹配推进设备模型在流场内的运动进行数值模拟。与传统的重叠网格方法不同,本文结合滑移网格处理旋转运动的计算速度及精度优势,通过网格分区策略对潜艇的自航运动、二维自由回转运动及水平面超越运动进行模拟研究。论文首先对潜艇标准模型在不同航速下的模型阻力进行数值模拟计算,通过与国外其他学者的物理实验结果进行对比,验证选取物理模型和数值离散方法的准确性。然后采用滑移网格方法对与潜艇模型匹配的DTMB4679模型桨进行运动数值模拟,同时与物理实验结果进行对比研究,讨论滑移网格方法在处理螺旋桨运动时的水动力学特性及精度。随后分别采用全重叠网格方法与基于网格分区策略的滑移重叠嵌套网格方法对潜艇在推进器不同转速下(500RPM、600RPM、700RPM)的自推进运动进行模拟。对不同舵角下(10°、15°、20°)的二维平面回转运动进行数值模拟,研究两种不同网格策略下结构物的回转运动特性和计算效率。最后基于网格分区策略,对十字型和H型两种不同尾舵潜艇模型进行超越运动直接数值模拟,对两种不同尾舵模型在超越运动中的转艏性、跟从性及减摇性能进行定量分析,并据此为出发点对简易平板H型尾舵模型进行优化改进。结果表明基于网格分区策略的直接数值模拟在计算精度上与重叠网格方法计算结果保持一致,在相同网格量级下计算速度有大幅提高。超越运动过程中H型尾舵模型较十字型尾舵模型在应舵性能上略有损失,但减摇性能大幅提高,简易平板的最优翼宽解为平行中体直径的50%。
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