近冰脊航道中自推进潜艇水动力与流场特性研究

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潜艇在极地环境作业不同于自由水域,冰面的存在改变了自由液面的边界条件。冰面底部结构复杂,纵横交错的冰脊对潜艇造成了严重的威胁。为了研究潜艇在近冰脊航道中的水动力特性,为冰区潜艇自航性能的研究提供有价值的参考。本文先对近冰脊流场扰动特性进行分析;随后针对SUBOFF潜艇与KP505螺旋桨模型,采用间接模拟法进行近冰面自航特性研究;最后,采用直接模拟法预报连续冰脊下潜艇自航特性,进而分析了冰脊与潜艇自航的相互影响。具体研究成果和结论如下:(1)基于科考数据建立了五组典型分布间距冰脊流场,通过稳态求解雷诺应力方程模型(RSM),分析了冰脊间距对冰下流场特性的影响规律,得出了流速与冰脊迎流面受力的关系式。并根据冰脊对冰下流场的干扰程度,将辐射深度分为三个区间:强辐射区,稳定辐射区,以及无影响区。(2)基于雷诺平均纳维斯托克斯(RANS)方法,得出了SUBOFF全附体潜艇近冰面直航阻力随航速的变化规律,确定了各成分阻力系数随Fr变化规律的多项式拟合曲线。预报了螺旋桨转速n(28)600r/min时5组进速系数下KP505螺旋桨的敞水特性参数,并将结果拟合,得出推力系数KT和10倍扭矩系数10KP随进速系数J的变化规律。最后,提出了基于多面体网格加结构化网格离散形式的,重叠网格与滑移网格结合的潜艇自推进水动力研究方法,并通过间接模拟预报了潜艇近冰面航行的自航参数,证明了该方法的可靠性。(3)基于雷诺平均纳维斯托克斯(RANS)方法,通过直接模拟预报了潜艇在连续冰脊下的自航特性,对比发现,相比于平整冰面,潜艇在连续冰脊下的自航点螺旋桨转速降低11%左右。潜艇近冰脊航行时阻力一直处于在均值附近不断振动的状态,振幅大小为均值的10%左右;潜艇表面压力系数在冰脊下方时增大,且随着航速的提高,增大的幅度更为明显。潜艇经过冰脊下方时,推力系数降低,且航速越快,冰脊干扰的效果越清晰,但干扰幅度会减弱。潜艇近冰脊航行时会使冰脊及冰面受水流的摩擦阻力增大。潜艇航行时艇身周围会产生3个高低交替的球形压力区,对冰脊产生波动冲击,冲击强度与航速正相关。
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