中国造船SHIPBUILDING OF CHINA W1.60No.2(Serial No.230)
Jun.2019
60卷第2期(总第230期)
2019年6月
文章编号：1000-4882(2019)02-0077-11
直航阻力性能研究
孙鹏飞12，姜哲2，崔维成2，罗高生2
(1.上海海洋大学工程学院，上海201306;
(2.2.上海海洋大学深渊科学与技术研究中心，上海201306)
摘要
选用合适的CFD计算模型可以提高潜水器水动力性能研究的准确性，进而影响着潜水器的总体设计.以某全海深载人潜水器为研究对象，进行直航工况下的数值模拟，通过计算域、网格尺度等因素敏感性分析以及采用不同湍流模型下的数值模拟结果对比分析，并与实验结果进行比较，获得了适用于该潜器的CFD计算模型.通过分析，确定了前进工况中计算域的边界尺度为艇艄向前1.5倍长度，艇旎向后3倍长度，外边界距艇体2倍长度，后退工况与前进工况外边界距艇依长度相同，其余相反；通过网格敏感度分析到了数值模拟最合适的网格数，大约在230万左右.研究发现，该潜器前进方向进行数值模拟使用Realizable k-e湍流模型更加合适，后退方向使用Standard k-e湍流模型.这项研究为进一步开展该潜器详细计算和优化设计打下基础， 也可为其他潜水器数值分析提供参考.
关键词：全海深载人潜水器；计算流体动力学；敏感性分析；湍流模型
中图分类号：P715.5文献标识码：A
0引言
近年来随着海洋科学研究的发展，潜水器在科研、军事等领域的应用也越来越广泛。随着人类逐渐把目光投向了国际海洋科学界定义的“海斗深渊”(6500m以深的区域)，全海深潜水器(包括无人和载人)的
设计研发也成为了热门研究方向。水动力性能作为潜水器重要的性能之一，其性能好坏影响着潜水器水下作业时的稳定性、安全性和适用性。随着计算机技术的快速发展，计算流体动力学(computational fluid dynamics.CFD)方法在潜水器水动力性能研究中应用得越来越多。相对于传统的理论、实验方法，CFD方法具有时间短、成本低的特点。
大山里的土家娃当前，国内外使用CFD方法进行水动力性能研究的案例非常多，与其相关的方法也比较成熟，刘峰等⑴针对椭球体进行数值模拟，求解相关的水动力系数，并通过与理论值、试验值的比较检验计算精度，发现CFD方法可以用于水动力性能研究，还用该方法进行了载人潜水器的水动力数值模拟，取得了很好的效果。张洪彬等〔2］利用AUV模型，使用ANSYS CFX软件在不同攻角下计算阻力系数，并
收稿日期：2019-01-19：修改稿收稿日期：2019-05-28
基金项目：上海市科委自然科学基金面上项目(19ZR1422700)：国家自然科学基金重点项目(51439004)；海洋工程国家重点实验室(上海交通大学)开放课题项目资助(项目编号1712)；上海海洋大学校科技专项(A242034XM00204)；上海海洋大学校科技专
项(A2~0203-00-100315)
78中国造船学术论文
用经验公式对摩擦阻力的计算结果进行验证，证明了计算结果的可靠性和CFD方法的有效性。漆小舟等⑶使用数值模拟方法计算水动力导数，对于不同湍流模型下的CFD仿真进行研究，结果表明采用SST-DES方法可以很好地对尾流泻涡进行仿真。李刚⑷对某穿梭潜器进行水动力特性数值模拟，并与模型试验结果对比，验证了CFD方法的可靠性。
CFD方法的精确性在一定程度上能够满足设计要求，但是由于研究对象、时间充裕程度不同，使得相关学者在使用CFD进行潜水器数值计算时，没有一套完整、统一的步骤。CFD通常使用计算机软件进行数值模拟，包括前处理、数值分析和后处理三个步骤，前处理目的是简化实体模型并将建立好的模型导入专业软件（如：ICEM CFD,Gambit等）中进行网格划分，同时设定边界条件及相关参数，如进口速度、湍流模型等；数值分析是根据用户设定的参数进行仿真模拟得到相关数据，如压差阻力、摩擦阻力等数值；后处理则是对得到的数据进行整理分析得到相关流场云图，如速度云图、压力云图、流线图等。其中，前处理在整个数值模拟过程中工作量最大的，也是最主要的一环，包括物理现象的抽象简化、计算与几何模型构建、网格的划分、定义计算区域属性、设定边界条件、设定求解控制参数和设定输出参数等同。
由于前处理的结果直接影响到后面的数值计算，影响着计算结果的可信度，因此对前处理进行相关研究是极其必要的，一个合理的前处理方式可以为后续的研究工作如型线优化、动力学仿真奠定良好的基础。本文以上海海洋大学深渊科学与技术研究中心正在研发的全海深载人潜水器为研究对象，围绕
计算域尺度、网格尺度等因素进行敏感度分析，同时进行数值模拟算法的选择，并最终确定最佳的CFD 计算模型。这样一种“调整计算域一确定网格数一选择算法模型”的前处理方式既可以保证良好的计算结果，也达到了精度和计算速度要求，实现了节约时间成本的目的。它为进一步开展该潜器详细计算和优化设计打好基础，也可为其他潜水器数值分析提供参考。
1模型建立、计算域及网格划分
1.1计算模型
本文选取的实体模型是上海海洋大学深渊科学与技术研究中心正在设计研发的“彩虹鱼”号全海深载人潜水器。为方便计算，将实体进行了简化如图1所示，其主要参数如表1所示。
图1“彩虹鱼”号全海深载人潜水器实体简化模型
表1潜水器的主要尺度参数单位：m 参数总长型宽（不含稳定翼）型高（不含稳定翼）赠段长平行中体长靛段长数值10.4 2.7 2.8 1.9 5.3 3.2
1.2计算域尺度敏感性分析
用于CFD前处理的软件是ICEM CFDo在进行数值模拟之前，首先要确定计算域，其范围大小影响着潜水器运动的仿真结果。若计算域过小，流场边界的壁面会影响到物体周围的流体流动，导致计算结果不准确；计算域过大则会大大增加计算机运行的时间，影响工作效率。因此，合理选择计算域
60卷第2期（总第230期）孙鹏飞，等：基于CFD 的全海深载人潜水器直航阻力性能研究79的大小非常重要。计算域通常分为内流域、外流域和混合流域，由于潜水器在水下运动，艇体淹没于 水中，无空气接触部分，因此选择外流域进行仿真。在进行计算域尺度敏感性分析时，使用的数值计 算方法如表2所示。同时，选取潜水器的直航运动为计算工况。
表2潜水器阻力系数的数值计算方法
项目
具体描述计算模型
前进运动 湍流模型及壁面尸 _后退运动压力与速度耦合方法动量方程、湍流方程差分格式
级进模
整体模型（包含稳定翼）RNGk-£模型，标准壁面函数，尸约为40mGk-£模型，标准壁面函数，尸约为40
SIMPLE 算法
二阶迎风格式设潜水器整体纵向长度为L，计算域采用圆柱形。为防止计算域过大导致计算量过大，潜水器前 端距离流域的入口（inlet ）取为1.5厶为保证尾流充分发展，其后端距离流域出口（outlet ）取为3L 。 来流速度v 设定为1.0288 m/s （2 kn ），采用控制变量法，将圆柱型流域的半径作为变量，测试不 同半径7?时的阻力系数并分析其影响。计算域模型如图2所示，测试结果如图3所示，可以看出当 R = 1.5Z 和R=2L 时，阻力系数Cd 曲线已经下降到一个较为缓慢变化的阶段，故本文在直航工况下 数值计算时均取R = 2L 。
图2计算域图示
（a ）前进方向
（b ）后退方向
图3流域大小测试时阻力系数曲线1.3网格尺度敏感性分析
网格划分是直接影响模拟精度和计算效率的关键因素之一⑶。在实际计算中，需要对网格进行加 密以提高精度，但是网格密度的提高会增加计算时间甚至会使计算结果无法收敛。因此选取合适的网 格是重要的环节。
现比较总阻力系数与网格单元数目的关系，以确定最合适的网格。在确保计算精度和保证网格
良
新闻体裁80中 国 造 船学术论文好疏密程度的条件下，以直航工况为例，釆用相同湍流算法，选取不同的网格密度进行数值模拟， 通过Fluent 仿真软件获得压差阻力并随之得到压差阻力系数，将它与已经计算好的摩擦阻力系数相 加，得到总阻力系数。进行网格尺度敏感性分析时使用的数值计算方法与表2相同。来流速度v 仍取 为1.0288 m/s (2 kn)，同时，选取潜水器的直航运动为计算工况。计算域的选取釆用1.2节的结论。 数值计算结果如图4及表3所示。
表3相邻两套网格阻力计算结果的差值
(a)前进工况
(b)后退工况
图4阻力系数与网格数目的关系前进方向
后退方向网格数x IO ”
阻力系数Xi 。？阻力差值/%网格数xio"阻力系数Xi 。？阻力差值/%150
13.77—13018.59一17010.76
21.8618019.45 4.6323010.45 2.88230
20.72 6.53290
10.17 2.6837020.630.43400
9.94 2.2661821.02 1.896869.850.9175520.820.95从表3中可以看出，以相同数值计算方法仿真，当
网格数目达到230万时，直航工况下的阻力系 数相比于前一套网格的变化误差在3%以内，可以认为网格已经收敛，因此，选取230万网格时，数值 模拟可以达到理想结果并可以节约成本。
综上所述，确定直航工况下理想网格数为230万，其后进行的前进、后退模拟皆以此为基础，流 场网格如图5所示。
(a)前进工况
图5
网格划分
60卷第2期(总第230期)孙鹏飞，等：基于CFD 的全海探载人潜水器直航阻力性能研究81
(b)后退工况
图5续网格划分
2湍流算法选择
2.1湍流模型概述
对于本文案例，雷诺数大于IO'，远远大于湍流临界参数8 000，流动属于湍流状态。湍流是一种 非线性的流动，需要通过数值方法进行研究。目前，湍流数值模拟方法主要包括三大类：直接数值模 拟(di
rect numerical simulation, DNS)、大涡模拟(large eddy simulation, LES)以及雷诺平均 N-S 方 程组模拟(Reynolds Average Navier-Stokes, RANS)。其中，LES 和RANS 属于非直接数值模拟方法。 由于DNS 只适用于雷诺数较低的情况，LES 则会消耗非常多的计算资源，因此本文采用的是RANS 方法。
饭没了秀2009在使用RANS 方法对湍流运动进行数值模拟时，需要对方程组中出现的新未知量釆用一种模型使 其封闭，这就是湍流模型同。选取适用的湍流模型是数值模拟的重要组成部分，也是影响结果准确度 的重要因素。下面介绍几种常用的湍流模型，用于后续计算比较。
(1) Standard k-e 模型⑺
流动方程如下：
8
+ G k +G b~P £~Y M ( 、8k~
I (1)
丿人 j \ U k ) 儿 j A. T V (2)
阿贡活佛尽管Standard 模型相对于传统的零方程或者一方程有了改动，但是在描述一些情况，如强旋 流、弯曲壁面流动和弯曲曲线流动时，容易产生失真同。本案例计算域是圆柱体，并且潜水器赭部本 身不是规则的平板，因此，在使用Standard 辰&方法时可能有所偏差，需经过后续数值方法进行验证。
(2) RNG 辰&模型〔9】
流动方程如下：
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