基于CFD的BB2潜艇6自由度自由运动仿真验证及高速与舵速对机动性影响研究

为解决潜艇机动性预测中实验条件受限和CFD仿真系统性验证不足的问题，研究人员开展了基于非定常雷诺平均纳维-斯托克斯方程(URANS)的6自由度(6DoF)自由运动仿真研究，建立了包含不确定性分析、中性浮力验证和自航点自动识别的CFD框架，验证了10节航速下水平回转、Z形等机动与实验数据偏差小于1%，并首次揭示了20节高速状态下的螺旋上升现象及舵速减半对Z形机动首超角的影响，为潜艇极限工况设计提供了可靠数值工具。

　　

潜艇在水下航行时的机动性能直接关系到作战效能与安全性，但传统预测方法面临两大瓶颈：一方面，依赖模型实验的流体动力学(EFD)方法受限于水池尺寸，难以模拟20节以上高速或极端机动工况；另一方面，计算流体力学(CFD)虽能突破物理限制，但此前缺乏系统性验证框架，特别是对自由运动状态下6自由度(6DoF)耦合效应的仿真精度存疑。韩国船舶与海洋工程研究所的研究团队选择荷兰MARIN公布的BB2潜艇为研究对象，其特色X型舵配置能实现更灵活的空间机动，但相关水动力特性在高速条件下尚未充分探索。

研究采用非定常雷诺平均纳维-斯托克斯方程(URANS)结合滑移网格技术，对1/15缩比模型开展仿真。关键技术包括：1)通过比例-积分(PI)控制算法在10倍船长(L/U)时间内自动确定自航点；2)采用体力量法模拟螺旋桨推力；3)建立比例-微分(PD)控制器实现X型舵与围壳舵的联动机动；4)通过水动力导数M_vv和Z_vv分析斜流压力分布对纵倾的影响。验证阶段使用Overpelt等提供的自由航行模型(FRM)实验数据作为基准。

几何与坐标系
采用BB2潜艇的X型舵构型，建立右手坐标系系统，X轴沿艇首方向，Z轴垂直向下，舵角正方向遵循右手定则。该配置通过四片舵面的差动实现三维空间机动。

中性浮力验证
在静止潜浮状态验证重量与浮力平衡，确认纵向浮心(LCB)与重心(x_CG)重合。这是后续机动仿真的先决条件，避免因初始不平衡导致虚假的俯仰或沉深变化。

结论
研究证实URANS方法能高精度预测10节常规航速下的机动特性，水平回转仿真与实验的机动性指数偏差<1%，Z形机动首超角误差<1°。在20节高速工况下发现新现象：垂直面20°舵角机动时，10节呈稳定上升轨迹，而20节产生螺旋运动，这源于横向运动耦合导致的滚转放大效应。将舵面转速降低50%后，Z形机动的首超角增大15%，表明舵速是机动响应的关键参数。

讨论
该研究构建了目前最完善的潜艇自由运动CFD验证体系，其创新点在于：1)首次量化了高速条件下空间耦合运动的非线性效应；2)揭示了舵速对瞬态机动的调控机制。所确定的网格尺寸(0.0023L/U)和PI控制增益可直接应用于其他潜器设计。未来工作可结合大涡模拟(LES)进一步捕捉湍流尺度效应，并将该方法扩展至冰区或近水面等复杂环境。论文成果发表于《Ocean Engineering》，为潜艇极限性能评估提供了超越实验能力的数值风洞。