基于Star CCM+的尾涡非定常模拟

关键词：水下航行体；动网格，自航，甚低频运动，尾流涡场

随着水下航行体降噪技术的发展，其自身辐射噪声显著降低，而由水下不稳定来流及操舵滞后性引发的航行体甚低频(Ultra-Low-Frequency,ULF)运动轨迹偏移，成为一种特殊的、移动的ULF源。航行体ULF运动会生成涡并向尾部脱落，该涡会改变航行体周围介质的声学属性，最终导致航行体声散射场产生独特的、与ULF振荡频率同步的调制效应，该物理过程对水下声传播、目标探测与隐蔽性均具有深远影响。

图1 甚低频运动轨迹

依托Star CCM+，结合动态重叠网格、非定常求解与自由面波流耦合算法，完成近水重力波面定深航行体甚低频振荡非定常尾涡流场专项模拟研究，为实尺度航行体设计与试验提供高精度数值支撑。

【模型信息】

图2 航行体模型示意图

【模型设置】

物理模型：LES/VOF

水、空气密度分别取：998.21 kg/m³与1.2 kg/m³

计算域：

图3 计算域设置

网格设置如下，由于采用重叠网格，因此需要对航行体周围进行加密

图4 网格设置

【结果】

本案例探测点采取航行体初始位置后某个位置进行压力数据分析，以下展示垂荡运动结果：

图5 航行体尾流在不同垂荡频率下的结果图

结论：航行过程中的涡主要由指挥台与舵附体产生，当指挥台处的涡从艇体上脱落并向下游移动时，在流场中诱导的速度大小和方向会随时间不断变化，当脱落到航行体尾部时会与舵处形成的涡相互作用，引起了艇体尾部大范围周期性的压力脉动。

此外直航涡结构示意图如下：

以上均为强迫运动，在此基础上可以增加螺旋桨进行DFBI六自由度运动。