Fluent在碟形深潛器水動(dòng)力性能的應(yīng)用分析

王金強(qiáng)++王平平++母寶穎

摘 要：文章利用Fluent方法模擬了一種新型碟形深潛器在直航狀態(tài)所受的總阻力以及斜航狀態(tài)下所受的橫向力Y和縱向力X并與試驗(yàn)方法進(jìn)行比較從而得出Fluent模擬方法具有一定的準(zhǔn)確性可以應(yīng)用于該碟形潛器的水動(dòng)力性能分析。碟形深潛器水動(dòng)力性能的預(yù)報(bào)對(duì)于其外形的優(yōu)化至關(guān)重要，傳統(tǒng)的研究方法主要有有理論方法、試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬。眾所周知，試驗(yàn)方法一直是碟形潛器研究的主要方法，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以流體力學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算流體力學(xué)方法也逐漸成為一種重要方法，與傳統(tǒng)方法相比，運(yùn)用Fluent模擬的方法則更加靈活和經(jīng)濟(jì)，但該方法與試驗(yàn)方法的相對(duì)誤差隨著Fr數(shù)的增加而增加，進(jìn)而說明該方法還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：碟形深潛器；水動(dòng)力；數(shù)值計(jì)算；CFD；Fluent

中圖分類號(hào)：TV131 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

本文將首次利用這一先進(jìn)技術(shù)對(duì)該新型碟形潛器的阻力性能進(jìn)行初步的數(shù)值計(jì)算分析，并與理論計(jì)算結(jié)果相比較證明使用Fluent技術(shù)得到的模擬結(jié)果是可信的.通過比較計(jì)算結(jié)果和模擬試驗(yàn)結(jié)果之間存在偏差為此提出了下一步工作內(nèi)容。

1 控制方程和湍流模型

1.1基本的控制方程

文中模擬以上圖1的三維模型在靜水中以定常速度U0作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)船體周圍的粘性流場(chǎng). 根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理可視作船體模型靜止而水以速度-U0從遠(yuǎn)方相對(duì)于潛器模型勻速流動(dòng). 假定流

體是不可壓的則流場(chǎng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別為：

（1） （2）

式中： ， 為速度分量時(shí)均值（i，j =1 2 3 ）；P為壓力時(shí)均值；ρ為流體密度；ν為流體粘性系數(shù)； 為重力加速度分量； 為雷諾應(yīng)力項(xiàng). 方程中的雷諾應(yīng)力項(xiàng)屬于新的未知量.因此要使方程封閉必須對(duì)該應(yīng)力項(xiàng)作某種假設(shè)即建立應(yīng)力的表達(dá)式通過表達(dá)式或湍流模型把應(yīng)力項(xiàng)中的脈動(dòng)值與時(shí)均值聯(lián)系起來.文中選取理論上發(fā)展較為完善 在工程上廣泛運(yùn)用的a -E二方程湍流模型來封閉RANS 方程.湍流模型的方程如下：

式中：C1 =1.44 C2 =1.92 =1.0 =1.3.

通過湍流運(yùn)動(dòng)粘度Vt建立了Reynolds應(yīng)力與平均速度梯度的關(guān)系 使得控制方程封閉.Vt表示成k和 的函數(shù) 即：Vt= .

為經(jīng)驗(yàn)常數(shù) =0.09.

1.2湍流模型

本文主要應(yīng)用了RNG k一 占模型，因?yàn)槟M彎曲壁面流動(dòng)的時(shí)候，標(biāo)準(zhǔn)k—s模型會(huì)失真，則沒有選擇標(biāo)準(zhǔn)模型，其相應(yīng)的湍流輸運(yùn)控制方程如下：

RNG k一占模型，湍流方程如下：

其中 是湍動(dòng)粘度， ， 是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， 是湍動(dòng)耗散率，

是湍動(dòng)能，Gk是因均速梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)， 是主流的時(shí)均應(yīng)變率。

2.數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

以用于水池實(shí)驗(yàn)的潛器模型為原型并按1：1利建立用于計(jì)算的模型. 模型總長度為1.025m 最大寬度為0.65m. 為了更好地保證計(jì)算域的對(duì)稱減小誤差本文采取矩形域，在進(jìn)行潛器表面和計(jì)算域網(wǎng)格劃分時(shí)，由于潛器表面型線很復(fù)雜，在對(duì)網(wǎng)格相關(guān)參數(shù)設(shè)置時(shí)采取在近潛器區(qū)域設(shè)定較密的網(wǎng)格然后以一定膨脹系數(shù)外推的方式，同時(shí)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格混合劃分的方式，這樣一方面能夠合理地減少網(wǎng)格數(shù)目另一方面也能較準(zhǔn)確地捕捉到近潛器區(qū)域的流動(dòng)特性. 為此文中采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)在計(jì)算過程中讓求解器自動(dòng)判斷并進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化以此達(dá)到捕捉流場(chǎng)形狀的目的，從而提高數(shù)值計(jì)算的效率。生成的混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型如下圖1所示；

3.計(jì)算結(jié)果和分析

3.1潛器直航計(jì)算

文中模擬了潛器模型在8個(gè)Fr數(shù)（Fr =0.1，0.2，……，0.8）下的粘性繞流場(chǎng)所受的總阻力，模擬結(jié)果與潛器模型的水池試驗(yàn)結(jié)果相比較如圖2所示，數(shù)值模擬捕捉到的潛器周圍流體的速度云圖如圖3所示，潛器表面的壓力分布云圖如圖4所示.

由Fr數(shù)-阻力曲線可以看出文中計(jì)算所 得的阻力曲線和試驗(yàn)方法所得曲線發(fā)展趨勢(shì)基本上一致，基本能較好地反映潛器在水中的運(yùn)動(dòng)情況且阻力曲線來看各個(gè)Fr 數(shù)下的阻力值與試驗(yàn)結(jié)果相比均沒有太大的偏差相對(duì)誤差均在7%以下，故整個(gè)計(jì)算過程是穩(wěn)定可信的。

（1）由速度云圖可以明顯看出，對(duì)于粘性流體繞流會(huì)在潛器的最前端點(diǎn)處產(chǎn)生邊界層，在邊界層的內(nèi)部，速度會(huì)隨著距船體表面距離增大而增大。由于邊界層的作用，主流的流線不是像理想流體時(shí)繞潛器流動(dòng)，在到達(dá)潛器尾部最后端點(diǎn)處形成駐點(diǎn)，而是被外推，流線上的點(diǎn)在潛器尾部處的速度不是零，這與實(shí)際情況是吻合的。

（2）由壓力分布云圖可以看出潛器前端的壓力最大，背部的壓力最小，首部的壓力明顯大于尾部的壓力這與潛器采用NACA翼型剖面是符合的。

3.2潛器斜航模擬計(jì)算

所謂的斜航模擬就是將潛器與其縱中剖面成一夾角， 給定水流速度， 當(dāng)漂角為小量時(shí)有

且fluent設(shè)置唯一與直航不同是水平面斜航時(shí)多了一個(gè)縱向的速度， 垂直面斜航時(shí)多了一個(gè)垂向的速度。垂直面攻角α和水平面漂角β變化范圍都是從 ，間隔 ，不同垂向速度的來流，在Fr=0.2和Fr=0.4時(shí)所受橫向力Y與漂角α和縱向力X與攻角β的受力關(guān)系，通過數(shù)值計(jì)算所得的潛器斜航時(shí)所受橫向力與縱向力與試驗(yàn)所測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差允許范圍內(nèi)，說明數(shù)值 計(jì)算結(jié)果具有可信性。

4結(jié)論

1）Fluent模擬方法計(jì)算所得到的無論是總阻力阻力曲線還是 曲線與試驗(yàn)方法所得曲線吻合的相當(dāng)好，其誤差在允許的范圍內(nèi)，故該計(jì)算方法具有較高的準(zhǔn)確性可以用來計(jì)算分析碟形潛器的水動(dòng)力性能。

2）運(yùn)用Fluent模擬得出的潛器周圍的流場(chǎng)的速度云圖和潛器表面的壓力分布云圖與潛器的實(shí)際情況所吻合，具有一定的準(zhǔn)確性，可以用來形象得描述潛器的水動(dòng)力性能。

3）同樣可以看出隨著Fr 數(shù)的增加模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水池試驗(yàn)結(jié)果之間均呈現(xiàn)漸大的偏差. 如何選擇更合理的邊界條件湍流模型（或其它封閉控制方程組的表達(dá)式）和數(shù)值算法等仍須作深入探討，有待在后續(xù)的工作中加以改進(jìn).

參考文獻(xiàn)

[1] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（上冊(cè)）[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[2] 曾鋒.動(dòng)水域測(cè)算靜水航速修正方法研究[D].重慶交通大學(xué)，2011.