基于自由流动计算流体动力学（CFD）模拟的DARPA Suboff机动特性的尺度效应研究

《Ocean Engineering》：Scale effects on DARPA Suboff maneuvering characteristics from free-running CFD simulations

本研究通过高精度时均CFD模拟，对比了DARPA SUBOFF潜艇在λ=24.0、12.0、2.4和1.0四种尺度下的稳态转向直径和动态转向角特性，发现雷诺数相似性对惯性效应和舵效影响显著，强调需考虑尺度效应下的雷诺数敏感性。

　　本研究探讨了几何缩放对完全潜航潜艇机动性能的影响，特别是在不同雷诺数条件下，通过时间依赖的计算流体力学（CFD）模拟，分析了DARPA SUBOFF潜艇模型在稳定和动态机动特性上的表现。研究采用了不依赖经验修正的方法，确保了结果的客观性和科学性。为了评估缩放效应，研究对四个几何相似模型（λ = 24.0, 12.0, 2.4, 和 1.0）进行了模拟，涵盖了从模型尺度到全尺寸的广泛范围。

研究中采用了一系列常用的CFD方法，包括用于推进器作用的移动参考系（MRF）方法、用于舵偏转的刚体运动（RBM）技术，以及结合所有y+壁处理的SST k-ω湍流模型。通过这些方法，研究人员能够捕捉到推进器和舵在不同缩放比例下的相互作用，从而更准确地模拟潜艇在实际操作中的流体动力学行为。研究重点评估了缩放效应对稳定转向直径（STD'）和推进速度比（STS'）的影响，并进一步分析了动态机动中过冲角度（OSA）的变化趋势。

在稳定机动测试中，研究发现从最小缩放模型（λ = 24.0）到全尺寸模型（λ = 1.0），稳定转向直径减少了28.9%。这一结果表明，随着雷诺数的增加，潜艇的轨迹变得更加紧凑，其机动性能在高速度下有所增强。同时，推进速度比（STS'）减少了30.5%，这反映出在紧转过程中，潜艇的前进速度损失显著增加。这一现象对于潜艇的设计和操作具有重要意义，因为它表明在高雷诺数条件下，潜艇在进行复杂机动时需要更高的推进效率以维持其运动能力。

在动态机动测试中，研究关注了20-20 zigzag机动和转向圈测试（δ = ±20.0度）。这些测试模拟了潜艇在实际航行中可能遇到的典型机动场景，例如快速转向和横向移动。研究发现，随着缩放比例的降低，过冲角度（OSA）显著增加，尤其是第二和第三过冲角度分别增加了149.8%和107.3%。这一结果表明，在全尺寸条件下，潜艇的惯性效应更加显著，同时其偏航阻尼能力有所下降。这可能与全尺寸潜艇在流体中的更大质量和更复杂的流体动力学相互作用有关。

研究强调了雷诺数敏感性在缩放效应分析中的重要性。雷诺数是流体动力学中一个关键的无量纲参数，它反映了惯性力与粘滞力之间的相对作用。在完全潜航的潜艇中，由于没有自由表面，粘滞力对机动性能的影响更为显著。因此，当从模型尺度扩展到全尺寸时，必须考虑雷诺数的变化对流体动力学响应的影响。相比之下，水面船舶由于存在自由表面，其机动性能在不同缩放比例下的变化相对较小，因为自由表面可以部分抵消流体动力学的不对称性。

为了确保模拟的准确性，研究采用了系统化的网格收敛性分析和时间收敛性分析。网格收敛性分析基于Roache（1998）和Celik等人（2008）提出的网格一致性指数（GCI）方法，用于评估数值模拟在不同网格密度下的稳定性。研究特别关注了全尺寸模型的数值敏感性，因为其具有最高的雷诺数和最强的流体梯度。这种分析有助于识别模拟结果中的误差来源，并确保结果在不同缩放比例下的可靠性。

在模拟过程中，研究采用了比例积分（PI）控制器来确定推进器的旋转速率，以实现与全尺寸配置相对应的弗劳德缩放速度。这一方法确保了推进器在不同缩放比例下能够维持稳定的前进运动，而无需外部干预。通过这种方式，研究人员能够更真实地再现潜艇在不同缩放条件下的推进特性。

研究还对潜艇的几何特性进行了详细描述，包括其外形和推进器配置。所采用的几何模型是基于DARPA SUBOFF潜艇的 AFF-8 变体，该模型配备了E1619推进器，并具有一个帆和四个相同的控制面（舵和尾翼）。DARPA SUBOFF潜艇因其标准化的几何形状而被广泛用于学术研究，为不同研究团队之间的比较提供了基础。

在动态机动测试中，研究分析了潜艇在不同缩放比例下的偏航力矩发展和舵效。结果表明，随着缩放比例的降低，潜艇的偏航响应变得更加复杂，舵效也有所变化。这些发现对于理解潜艇在不同尺度下的动态行为具有重要意义，尤其是在设计和评估自主或有人驾驶的水下车辆时。

此外，研究还探讨了流体动力学系数在不同缩放比例下的变化趋势。例如，横向力（sway forces）在不同尺度下表现出较大的差异，而偏航力矩（yaw moments）则相对稳定。这种差异可能与流体动力学相互作用的复杂性有关，尤其是在高雷诺数条件下，粘滞效应和流动分离行为对潜艇的机动性能产生更大的影响。

研究的结论表明，几何缩放对潜艇的机动性能具有显著影响，特别是在雷诺数变化较大的情况下。为了准确预测潜艇在全尺寸条件下的机动行为，必须考虑缩放效应对流体动力学响应的影响。研究结果为改进缩放方法和提高基于模拟的虚拟海试的现实性提供了关键的见解，有助于潜艇设计和操作的优化。

通过这项研究，研究人员不仅验证了CFD方法在模拟潜艇机动性能方面的有效性，还揭示了缩放效应在不同流体动力学现象中的具体表现。这些发现对于推动潜艇设计的创新和提高其在复杂环境中的操作能力具有重要意义。同时，研究还强调了实验验证在CFD模拟中的重要性，因为实验数据能够为数值模拟提供基准，确保其结果的可靠性。

总之，这项研究为理解潜艇在不同尺度下的机动性能提供了新的视角，特别是在雷诺数变化较大的情况下。通过采用高保真、时间精确的CFD模拟方法，研究人员能够更全面地分析潜艇的流体动力学行为，从而为未来潜艇的设计和评估提供科学依据。研究结果不仅有助于改进缩放方法，还为提高潜艇在实际操作中的安全性和效率提供了重要的参考。