﻿ 基于混合网格的水下航行器系统航行特性研究
 舰船科学技术  2021, Vol. 43 Issue (12): 128-135    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2021.12.023 PDF

1. 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640;
2. 广州市顺海造船有限公司，广东 广州 511440

Research on navigation characteristics of underwater vehicle system based on hybrid mesh
WU Jia-ming1, ZHOU Chang-ke1, LIAO Hua2, LV Hai-yan2
1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;
2. Guangzhou Shunhai Shipyards Ltd., Guangzhou 511440, China
Abstract: The underwater vehicle system is an integral structure including the main body of the underwater vehicle, the propulsion system and the other appendage. In order to research the navigation performance of the underwater vehicle system, the surface pressure characteristics and flow field characteristics when the underwater vehicle system is navigating, based on the CFD method, a hybrid mesh technology combining overlapping mesh and sliding mesh is used to directly simulate a self-developed model of the underwater vehicle system. The results show that the underwater vehicle system has different navigation performance when propulsion system provides different thrusts and the maximum navigation speed under different thrust can be obtained from the thrust-velocity curve. The surface pressure distribution of surface pressure is similar. The water submersible has the same flow field distribution characteristics when underwater vehicle system has different velocity.
Key words: hybrid mesh     underwater vehicle system     navigation     computational fluid dynamics
0 引　言

1 数值模拟基础 1.1 控制方程

 $\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_i}}} = 0,$ (1)

 $\rho \left(\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial t}} + \frac{{\partial ({u_i}{u_j})}}{{\partial t}}\right) = \rho \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[\mu \left(\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}\right) - {u_i'u_j'}\right] + \rho {g_i} - \frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}}\text{。}$ (2)

1.2 湍流模型

 $\frac{{\partial (\rho k)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho k{u_i})}}{{\partial {x_i}}} + \frac{{\partial (\rho k)}}{{\partial t}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[{\varGamma _k}\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}\right] + {G_k} - {Y_k} + {S_k},$ (3)
 $\frac{{\partial (\rho \varepsilon )}}{{\partial t}} + \frac{{\partial (\rho \varepsilon {u_i})}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[{\varGamma _\omega }\frac{{\partial \omega }}{{\partial {x_j}}}\right] + {G_\omega } + {D_\omega } - {Y_\omega } + {S_\omega },$ (4)

 ${\varGamma _k} = \mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _k}}},$ (5)
 ${\varGamma _\omega } = \mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _\omega }}}\text{。}$ (6)

1.3 重叠网格与滑移网格混合网格技术的运用

2 计算对象 2.1 水下航行器系统模型

 图 1 水下航行器系统三维几何模型 Fig. 1 The model of the underwater vehicle system
2.2 计算域和网格划分

 图 2 水下航行器表面网格 Fig. 2 The surface mesh of the underwater vehicle system

 图 3 水下航行器系统周围流场网格 Fig. 3 The flow field mesh of the underwater vehicle system

 图 4 计算域整体划分 Fig. 4 Computational domain division of system
2.3 边界条件和初始条件设置

2.4 航行特性分析流程

1）对放置在浮筒后方和吊舱后方的导管螺旋桨进行模拟计算，取3种螺旋桨转速分别表示螺旋桨高速旋转、中速旋转、低速旋转情况，得到在主体影响下的导管螺旋桨的转速-推力曲线。

2）设置好初始条件和边界条件后，对水下航行器系统进行直接模拟。施加恒定轴向推力 $T$ 用来模拟水下航行器推进系统产生的推力，使水下航行器系统在静水环境下从静止启动。当数值计算结果收敛后可以获得水下潜器阻力 $R$ 和航行速度 $V$ 。当 $T = R$ 加速度为0时可认为水下航行器系统达到最大航行速度，此时速度 $V$ 即最大航行速度。

3）将获得的结果绘制推力-速度曲线，通过插值可以得到水下航行器系统在任一轴向推力作用下的航行速度，或达到任一最大航行速度推进系统所需要提供的推力大小。

4）为使水下航行器系统能够在实际航行中以工程所需的航速航行，可以通过推力-速度曲线获得所需航速对应的推力大小，再通过得到的导管螺旋桨转速-推力曲线，进行推力分析得到对应的导管螺旋桨转速，在此基础上进行稳定性计算，即可通过调整不同导管螺旋桨转速产生相应推力，使其满足推力要求的同时也能保持航行稳定。

3 计算结果与分析 3.1 数值模型验证

 图 5 KA 4-70/19A导管螺旋桨数值验证 Fig. 5 Numerical validation of KA 4-70/19A ducted propeller
3.2 网格尺度对数值模拟的影响

 图 6 不同网格尺度比计算结果比较 Fig. 6 The results of different mesh scale ratios
3.3 导管螺旋桨的推力和转矩特性

 图 7 导管螺旋桨推力时历曲线 Fig. 7 Thrust duration curve of ducted propeller

 图 8 导管螺旋桨转矩时历曲线 Fig. 8 Torque duration curve of ducted propeller

 图 9 导管螺旋桨转速-推力曲线 Fig. 9 Speed of ducted propeller and thrust curve

 图 10 导管螺旋桨转速-力矩曲线 Fig. 10 Speed of ducted propeller and torque curve
3.4 静水中水下航行器系统的推力-速度曲线

 图 11 水下航行器系统推力-速度曲线 Fig. 11 Speed of underwater vehicle system and thrust curve
3.5 水下航行器表面压力和周围伴流场特性分析

 图 12 水下航行器系统表面压力云图与流场分布 Fig. 12 Surface pressure nephogram and flow field distribution
4 结　语

1）使用本文所描述的数值模型能够有效的计算实际运动中的相关物理量，对KA 4-70/19A导管螺旋桨的敞水试验模拟，得到的结果与试验数据较好地拟合，间接验证了使用混合网格技术进行航行预报的可靠性。

2）通过对不同推力作用下水下航行器系统运动进行分析，得到了水下航行器系统的推力-速度曲线，通过对曲线进行插值可以得到不同推力下水下航行器系统的航行速度或达到设计航速时需要的推力大小，完成对水下航行器系统的航行预报。

3）不同的网格尺度比对计算结果有影响，但是当网格尺度在同一数量级的时候，增大或减小尺度比对计算结果的影响较小，考虑到计算资源和计算时间的大小，合理的选择网格尺度比可以达到计算资源与计算精度之间的平衡。

4）对导管螺旋桨在水下航行器主体影响下的推力和力矩特性进行了分析，计算得到了静水环境下导管螺旋桨的推力和转矩数据，绘制了转速-推力曲线和转速-转矩曲线。

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