EP3568345B1 - Procédé de détermination de coefficients hydrodynamiques sur des sous-marins - Google Patents

Procédé de détermination de coefficients hydrodynamiques sur des sous-marins Download PDF

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EP3568345B1
EP3568345B1 EP17818505.4A EP17818505A EP3568345B1 EP 3568345 B1 EP3568345 B1 EP 3568345B1 EP 17818505 A EP17818505 A EP 17818505A EP 3568345 B1 EP3568345 B1 EP 3568345B1
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trim
speed
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hydroplane
keel
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EP17818505.4A
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Hans Jürgen Bohlmann
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B79/00—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation
    • B63B79/30—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation for diagnosing, testing or predicting the integrity or performance of vessels

Definitions

  • the invention relates to a method for determining hydrodynamic coefficients in submarines.
  • the z-direction is the direction perpendicular to the longitudinal axis of the submarine, with positive values pointing downwards.
  • the y direction is the direction transverse to the longitudinal axis of the submarine, with positive values pointing to starboard.
  • ⁇ s is the aft depth rudder angle
  • ⁇ b is the forward depth rudder angle
  • ⁇ is the angle of attack of the submarine
  • ⁇ is the drift angle of the submarine
  • f x a factor for rudder
  • X rudder f x 4
  • cross rudder f x 1
  • W is the weight of the submarine including flooded clearances
  • W. ′ W. ⁇ 2 ⁇ L. 2 ⁇ U ⁇ 2 a dimensionless value
  • B is the buoyancy of the submarine
  • B. ′ B. ⁇ 2 ⁇ L.
  • C is the origin of the boat-based coordinate system
  • L is the length of the submarine
  • ⁇ is the density of the surrounding water
  • g is the acceleration due to gravity
  • U the speed of the submarine when traveling through the water
  • u is the speed component in the x direction
  • U the speed of the submarine during stationary travel through the water for a freely selectable reference travel state
  • u c is the propulsion speed, which corresponds to the speed u that the boat would achieve at the current propeller speed when traveling ahead on a level keel with zero rudder angles
  • u c ′ u U ⁇ a dimensionless value
  • v is the speed component in the y direction across the submarine
  • v ′ v U ⁇ a dimensionless value
  • w is the speed component in the z direction normal to the submarine
  • w ′ w U ⁇ a dimensionless value
  • Z is the hydrodynamic force in the z direction
  • Z * is the coefficient describing the normal force Z as a function of
  • Z w is the coefficient describing the normal force Z as a function of the product u w
  • Z w ′ Z w ⁇ 2 L. 2 a dimensionless value, Z
  • , Z w ′ Z w ⁇ 2 L. 2 a dimensionless value, Z w
  • the coefficient describing the normal force Z as a function of w ⁇ v 2 + w 2 , Z w w ′ Z w w ⁇ 2 L.
  • Z ww is the coefficient describing the normal force Z as a function of
  • Z ww ′ Z ww ⁇ 2 L. 2 a dimensionless value
  • ⁇ is the coefficient to describe the normal force Z as a function of w v 2 + w 2 ⁇ ⁇ ⁇ C. - 1
  • Z w w ⁇ ′ Z w w ⁇ ⁇ 2 L. 2 a dimensionless value
  • Z ⁇ s is the coefficient describing the normal force Z as a function of u 2 ⁇ s
  • Z ⁇ s ′ Z ⁇ s ′ ⁇ 2 L.
  • Z ⁇ b is the coefficient describing the normal force Z as a function of u 2 ⁇ b
  • Z ⁇ b ′ Z ⁇ b ′ ⁇ 2 L. 2 a dimensionless value
  • Z ⁇ s ⁇ is the coefficient describing the normal force Z as a function of u 2 ⁇ s ( ⁇ C - 1)
  • Z ⁇ s ⁇ ′ Z ⁇ s ⁇ ′ ⁇ 2 L. 2 a dimensionless value
  • M is the hydrodynamic torque around the y- axis, also called pitching torque
  • M * is the coefficient describing the pitching moment M
  • M. ⁇ ′ M. ⁇ ⁇ 2 L.
  • M w is the coefficient for describing the pitching moment M as a function of u w
  • M. w ′ M. w ⁇ 2 L. 3 a dimensionless value
  • , M. w ′ M. w ⁇ 2 L. 3 a dimensionless value
  • M. w w ′ M. w w ⁇ 2 L. 3 a dimensionless value
  • M ww is the coefficient describing the pitching moment M as a function of
  • M. ww ′ M. ww ⁇ 2 L. 3 a dimensionless value
  • ⁇ is the coefficient to describe the pitching moment M as a function of w v 2 + w 2 ⁇ ⁇ ⁇ C. - 1
  • M. w w ⁇ ′ M. w w ⁇ ⁇ 2 L. 3 a dimensionless value
  • M ⁇ s is the coefficient for describing the pitching moment M as a function of u 2 ⁇ s
  • M. ⁇ s ′ M. ⁇ s ⁇ 2 L. 3 a dimensionless value
  • M ⁇ b is the coefficient for describing the pitching moment M as a function of u 2 ⁇ b , M.
  • M ⁇ b ′ M. ⁇ b ⁇ 2 L. 3 a dimensionless value
  • M ⁇ S ⁇ is the coefficient to describe the pitching moment M as a function of u 2 ⁇ s ( ⁇ C - 1)
  • M. ⁇ s ⁇ ′ M. ⁇ s ⁇ ⁇ 2 L. 3 a dimensionless value.
  • the JP S63 43896 A has the purpose of automatically adjusting weighting and trimming. For this purpose, data is recorded with sensors.
  • the object of the invention is to provide a method with which these hydrodynamic coefficients can be recorded or determined simply and precisely by measuring technology on a real submarine.
  • the submarine is free-swimming in this procedure.
  • Free floating means that the submarine is not towed or has some other form of connection, for example a submarine model that is attached to a rod. So none work external forces on the submarine, for example a force via a tow rope.
  • the submarine is therefore force-free, i.e. all forces, acceleration from the propeller, friction, buoyancy from the hull, buoyancy from the rudder, etc., balance each other out.
  • Free swimming thus enables direct and simple determination on a specific submarine and not on a model. As a result, the parameters determined are exact and can be determined individually depending on the state, for example different loads.
  • a pitch angle ⁇ of the submarine of ⁇ 1 ° ⁇ ⁇ ⁇ + 1 °, preferably of ⁇ 0.2 ° ⁇ ⁇ + 0.2 °, particularly preferably of ⁇ 0.05 ° ⁇ ⁇ ⁇ + 0.05 ° to be understood.
  • the pitch angle is the angle between the longitudinal axis of the submarine and the projection of the longitudinal axis of the submarine into the plane and thus reflects the inclination in the z-direction.
  • a particular pitch angle ⁇ of the submarine is
  • Acceleration-free travel is understood to mean an operating mode in which the boat moves at a constant speed, with constant being regarded as constant within the scope of the detection accuracy and control accuracy.
  • the measured values are evaluated separately for journeys with a flat keel and with a sloping keel.
  • the measured values obtained in steps a) to d) are shown as a function of 1 u ki 2 evaluated by calculating best-fit straight lines.
  • the best-fit straight lines result as limit values for u ⁇ ⁇ the rear depth rudder angle ⁇ sn and front depth rudder angle ⁇ bn for the so-called lift and torque-free ride. Only the limit values are evaluated here.
  • ⁇ ski ⁇ sn - G ⁇ L.
  • x CT is the x coordinate of the center of gravity of the control cell
  • x CT ′ x CT L.
  • ⁇ x TT is the positive distance of the center of gravity from the front to the rear trim cell volume
  • ⁇ x TT ′ ⁇ x TT L.
  • x ⁇ s the x -coordinate of the forward depth rudder
  • x ⁇ s ′ x ⁇ s L.
  • x ⁇ b the x -coordinate of the rear depth rudder
  • x ⁇ b ′ x ⁇ b L.
  • V CT is the filling volume of the control cell
  • V CT ′ V CT 1 2 L. 3
  • the rudder angles are about 1 u ki 2 applied.
  • the slope of this straight line is not relevant, it is decisive for zero and thus for u ki 2 towards infinitely extrapolated limit value.
  • the x-coordinates of trim and control cells and rudder position are known from boat geometry.
  • V TTki ′ 1 ⁇ x TT ′ u i 2 G ⁇ L. ⁇ f x ⁇ M. ⁇ s ′ ⁇ ⁇ ski - ⁇ sn + M. ⁇ b ′ ⁇ ⁇ bki - ⁇ bn cos ⁇ ki - x CT ′ ⁇ V CTki ′
  • the coefficients Z ⁇ ′ , Z ⁇ s ′ , Z ⁇ b ′ , M. ⁇ ′ , M. ⁇ s ′ and M. ⁇ b ′ are determined for lift and torque-free travel.
  • z GB ′ z GB L. a dimensionless value
  • z Gn the z-component of the center of gravity of the boat including flooded clearances for the state of buoyancy and torque-free travel
  • z B the z -coordinate of the lift center of gravity of the shape displacement in the boat-fixed coordinate system.
  • the determination is made from the measured data by means of multilinear regression using the variables already known from a).
  • the coefficients Z w ′ , Z w w ′ , Z ⁇ s ⁇ ′ , M. w ′ , M. w w ′ , and M. ⁇ s ⁇ ′ and the stability lever arm z GB determined.
  • first speeds in particular a total of five to eight first speeds, particularly preferably six first speeds, are particularly preferably used.
  • second speeds in particular a total of four to eight second speeds, particularly preferably five second speeds, are particularly preferably used.
  • the first speeds are selected from the range from 4 kn to 25 kn, preferably from the range from 5 kn to 20 kn, particularly preferably from the range from 6 kn to 15 kn.
  • the second speeds are selected from the range from 4 kn to 25 kn, preferably from the range from 5 kn to 20 kn, particularly preferably from the range from 6 kn to 14 kn.
  • an angle of + 15 ° to + 25 °, in particular + 18 ° to + 22 °, is selected as the first forward elevator position and an angle of -15 ° to -25 ° is selected as the second forward elevator position, selected in particular from -18 ° to -22 °.
  • the method is carried out in such a way that the diving depth is selected so that at least 25 m, preferably at least 50 m, particularly preferably at least the length of the submarine, water above the submarine and at least 25 m, preferably at least 50 m , particularly preferably at least the length of the submarine, are water under the submarine.
  • This procedure determines the hydrodynamic coefficients in the unaffected deep water area.
  • the method is carried out in such a way that the diving depth is chosen so that less than 25 m, preferably less than 15 m, water above the submarine and at least 25 m, preferably at least 50 m, particularly preferably at least the length of the submarine, there are water under the submarine.
  • This procedure determines the hydrodynamic coefficients in the near-surface area and is important for snorkeling, for example.
  • This method is preferably used in addition to the determination in the unaffected deep water area.
  • the method is carried out in such a way that the diving depth is selected so that at least 25 m, preferably at least 50 m, particularly preferably at least the length of the submarine, water above the submarine and less than 25 m, preferably less than 15 m, there are water under the submarine.
  • This procedure determines the hydrodynamic coefficients in the area close to the ground and is important, for example, for submerged trips in shallow water. This method is preferably used in addition to the determination in the unaffected deep water area.
  • the speed u of the submarine, the front depth rudder angle ⁇ s , the rear depth rudder angle ⁇ b , the change in volume of the trim tanks ⁇ V TT and the change in volume of the control cell ⁇ V CT are recorded during the acceleration-free journeys.
  • the speed of rotation n of the screw and the trim angle ⁇ are additionally recorded during the acceleration-free journeys.
  • the roll angle ⁇ and the change in volume of the ballast tank ⁇ V CT are also recorded during the acceleration-free journeys.
  • the weight distribution in the submarine is kept constant except for the targeted changes during the method. In particular, care is taken that the crew does not change their position, as this leads to non-detectable mass displacements and thus reduces the measurement accuracy of the method.
  • the first first trim position and the second first trim position are selected to be different by 500 kNm ⁇ 50 kNm.
  • a first, second trim position and a second, second trim position are selected in steps e) and l), the first, second trim position and the second, second trim position being selected to be different by 1000 kNm ⁇ 100 kNm.
  • the coefficients are in step m) Z w ′ , Z w w ′ , Z ⁇ s ⁇ ′ , M. w ′ , M. w w ′ , and M. ⁇ s ⁇ ′ and the stability lever arm z GB determined.
  • Fig. 1 the angles and sizes are shown using the example of a submarine with a cross rudder.

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Claims (15)

  1. Procédé de détermination de coefficients hydrodynamiques sur des sous-marins dotés d'une barre de plongée avant et d'une barre de plongée arrière, le sous-marin flottant librement, le procédé présentant les étapes suivantes :
    a) le déplacement sans accélération à quille égale à profondeur constante et avec une première première vitesse et une première première assiette,
    b) le déplacement sans accélération à quille égale à profondeur constante et avec la première première vitesse et une deuxième première assiette,
    c) le déplacement sans accélération à quille égale à profondeur constante et avec une deuxième première vitesse et la première première assiette,
    d) le déplacement sans accélération à quille égale à profondeur constante et avec la deuxième première vitesse et la deuxième première assiette,
    e) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec une première deuxième vitesse et avec une première position de barre de plongée avant et un premier remplissage de compartiment d'assiette,
    f) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec la première deuxième vitesse et avec une deuxième position de barre de plongée avant et le premier remplissage de compartiment d'assiette,
    g) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec la première deuxième vitesse et la première position de barre de plongée avant et un deuxième remplissage de compartiment d'assiette,
    h) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec la première deuxième vitesse et la deuxième position de barre de plongée avant et le deuxième remplissage de compartiment d'assiette,
    i) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec une deuxième deuxième vitesse et la première position de barre de plongée avant et le premier remplissage de compartiment d'assiette,
    j) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec la deuxième deuxième vitesse et la deuxième position de barre de plongée avant et le premier remplissage de compartiment d'assiette,
    k) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec la deuxième deuxième vitesse et la première position de barre de plongée avant et le deuxième remplissage de compartiment d'assiette,
    l) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec la deuxième deuxième vitesse et la deuxième position de barre de plongée avant et le deuxième remplissage de compartiment d'assiette,
    m) la détermination de coefficients hydrodynamiques à partir des grandeurs de mesure déterminées aux étapes précédentes,
    les étapes a) à l) étant effectuées dans un ordre quelconque, l'étape m) étant effectuée après les étapes a) à l), dans lequel, pendant les déplacements sans accélération, respectivement la vitesse u du sous-marin, l'angle d'assiette θ, la position de barre de plongée avant δs , l'angle de barre de plongée arrière δb , la variation de volume des compartiments d'assiette ΔVTT et la variation de volume du ballast de réglage ΔVCT sont détectés en tant que grandeurs de mesure.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en plus des étapes a) à d), les étapes suivantes sont effectuées :
    n) le déplacement sans accélération à quille égale à profondeur constante et avec une troisième première vitesse et une première première assiette,
    o) le déplacement sans accélération à quille égale à profondeur constante et avec une troisième première vitesse et une deuxième première assiette.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en plus des étapes e) à l), les étapes suivantes sont effectuées :
    p) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec une troisième deuxième vitesse et avec une première position de barre de plongée avant et un premier remplissage de compartiment d'assiette,
    q) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec une troisième deuxième vitesse et une deuxième position de barre de plongée avant et un premier remplissage de compartiment d'assiette,
    r) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec une troisième deuxième vitesse et une première position de barre de plongée avant et un deuxième remplissage de compartiment d'assiette,
    s) le déplacement sans accélération à quille inclinée à profondeur constante et avec une troisième deuxième vitesse et une deuxième position de barre de plongée avant et un deuxième remplissage de compartiment d'assiette.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premières vitesses sont sélectionnées dans la plage de 4 nœuds à 25 nœuds, de préférence dans la plage de 5 nœuds à 20 nœuds, de manière particulièrement préférée dans la plage de 6 nœuds à 15 nœuds.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deuxièmes vitesses sont sélectionnées dans la plage de 4 nœuds à 25 nœuds, de préférence dans la plage de 5 nœuds à 20 nœuds, de manière particulièrement préférée dans la plage de 6 nœuds à 14 nœuds.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour la première position de barre de plongée avant, un angle de +15° à +25°, en particulier de +18° à +22° est sélectionné, et en ce que pour la deuxième position de barre de plongée avant, un angle de -15° à -25°, en particulier de -18° à -22° est sélectionné.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé est effectué de telle sorte que la profondeur de plongée est sélectionnée de telle sorte qu'au moins 25 m, de préférence au moins 50 m, de manière particulièrement préférée au moins la longueur du sous-marin, d'eau se trouvent au-dessus du sous-marin et au moins 25 m, de préférence au moins 50 m, de manière particulièrement préférée au moins la longueur du sous-marin, d'eau se trouvent au-dessous du sous-marin.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le procédé est effectué de telle sorte que la profondeur de plongée est sélectionnée de telle sorte que moins de 25 m, de préférence moins de 15 m, d'eau se trouvent au-dessus du sous-marin et au moins 25 m, de préférence au moins 50 m, de manière particulièrement préférée au moins la longueur du sous-marin, d'eau se trouvent au-dessous du sous-marin.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le procédé est effectué de telle sorte que la profondeur de plongée est sélectionnée de telle sorte qu'au moins 25 m, de préférence au moins 50 m, de manière particulièrement préférée au moins la longueur du sous-marin, d'eau se trouvent au-dessus du sous-marin et moins de 25 m, de préférence moins de 15 m, d'eau se trouvent au-dessous du sous-marin.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en outre la vitesse de rotation n de la vis et l'angle de roulis Φ sont détectés en tant que grandeurs de mesure.
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pendant le procédé, la répartition de poids dans le sous-marin est maintenue constante, mis à part les modifications ciblées.
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape m) les coefficients Z ∗ ′ ,
    Figure imgb0093
     Z δs ′ ,
    Figure imgb0094
     Z δb ′ ,
    Figure imgb0095
     M ∗ ′ ,
    Figure imgb0096
     M δs ′
    Figure imgb0097
     et M δb ′ ,
    Figure imgb0098
     les volumes de remplissage du ballast de réglage VCT1 et VCT2, les remplissages des compartiments d'assiette VTT1 et V TT2 et l'angle de barre δsn et δbn sont déterminés pour un déplacement sans portance et sans couple.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première première assiette et la deuxième première assiette sont sélectionnées avec une différence de 500 kNm ±50 kNm.
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'aux étapes e) à l) une première deuxième assiette et une deuxième deuxième assiette sont sélectionnées, la première deuxième assiette et la deuxième deuxième assiette étant sélectionnées avec une différence de 1000 kNm ±100 kNm.
  15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape m), les coefficients Z w ′ ,
    Figure imgb0099
     Z w w ′ ,
    Figure imgb0100
     Z δsη ′ ,
    Figure imgb0101
     M w ′ ,
    Figure imgb0102
     M w w ′
    Figure imgb0103
     et M δsη ′
    Figure imgb0104
     et le bras de levier de stabilité zGB sont déterminés.
EP17818505.4A 2017-01-12 2017-12-13 Procédé de détermination de coefficients hydrodynamiques sur des sous-marins Active EP3568345B1 (fr)

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