潜艇粘性流场的数值模拟及其阻力预报的方法研究

论文摘要

潜艇周围的流场特别是尾流场的流动特性,不仅对潜艇的水动力性能产生直接的影响,而且引发的流动是潜艇水动力噪声的主要来源之一。寻求能在已知艇体形状特征下精确预报流场特性的数值计算方法,为潜艇概念设计阶段得出阻力小、噪声低的最佳潜艇设计方案提供评价依据,一直是船舶水动力学领域中的一个重要的研究课题。回转体绕流场数值计算是CFD领域一个经典的问题。首先通过对回转体的数值模拟结果来验证数值计算程序的有效性是一个比较好的思路。本文基于RANS方程,采用κ-ε两方程湍流模型来封闭控制方程,采用有限体积法离散控制方程,对于速度压力关联方程,应用协调一致的SIMPLEC算法求解,变化率项用中心差分,对流扩散项采用二阶迎风格式,分别对DARPA提出的裸艇体SUBOFF-1模型以及另外两种回转体模型进行了数值模拟计算。数值计算结果与测量值相当吻合,较有关文献的计算结果更为接近测量值,表明本文的数值方法是有效的。在此基础上,对DARPA提出的全附体潜艇模型SUBOFF-8进行了数值计算。针对近壁区域采用一种统一壁面函数的壁面模型,结合两层湍流模型和在近壁面区域布置精细网格对流场进行了数值模拟。给出了模型表面压力系数与摩擦阻力系数分布曲线,以及桨盘面处的速度分布,同时给出了附体后面的速度矢量图,观测到了附体后产生的流场涡旋结构。同实测结果进行了对比,相当吻合。同时,数值计算结果与相关文献给出的计算结果相比有相当大的改进。本文提出了一种满足排水量、主尺度和均衡条件的实用水滴型回转体数学描述模型以及型线自动生成方法。运用大量的拖曳水池阻力试验结果考察了本文采用的潜艇粘性流场数值计算方法预估水下阻力的有效性和可靠性。运用我们提出的实用艇型自动生成程序,变化相关的艇型参数,建立系列艇型,通过数值计算,得到这些艇型的水下阻力系数,初步建立了“潜艇水下阻力数值试验水池”。另外数值模拟方法预报的潜艇阻力数据经过修正后和常规潜艇实测阻力数据一起构成样本数据库,采用基于L-M及贝叶斯正则化方法的BP神经网络技术,建立常规潜艇阻力数值图谱和潜艇粘性阻力预估方法,供潜艇概念设计中进行方案评估和阻力选优,从而可以确定阻力最优的艇型设计方案。为潜艇概念设计中的方案评判选优（快速性能）提供一种有效、快捷、方便的技术手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本文的研究背景、目的和意义
• 1.3 本文涉及到的研究领域及其发展概况
• 1.4 全文安排
• 2 潜艇湍流计算的数理模型及其数值计算技术
• 2.1 引言
• 2.2 湍流模型理论
• 2.3 湍流数值计算方法
• 2.4 网格技术
• 3 潜艇主艇体湍流场数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 控制方程与湍流模型
• 3.3 近壁处理
• 3.4 数值求解过程
• 3.5 计算结果与分析
• 3.6 另外两种回转体模型的数值计算
• 3.7 本章小结
• 4 全附体潜艇模型湍流场数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 数值求解过程
• 4.3 数值计算结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 建立“潜艇水下阻力数值试验水池”方法的初步研究
• 5.1 引言
• 5.2 潜艇型线自动生成方法研究
• 5.3 潜艇排水量与主尺度的确定方法
• 5.4 潜艇水下阻力数值试验水池的初步建立
• 5.5 本章小结
• 6 基于神经网络的潜艇水下阻力数值图谱研究
• 6.1 引言
• 6.2 BP 神经网络
• 6.3 潜艇主艇体阻力数值图谱生成方法
• 6.4 神经网络阻力数值图谱的检验
• 6.5 本章小结
• 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2 参加的科研项目