Hydrodynamiken förlåter inte en slarvig ubåtsformgivare
Det virvlar, brusar och bullrar om alla utstickande delar på skrovet
Av Christer Fureby, Niklas Alin och Per-Ola Hedin
Strömningen kring en ubåt är mycket komplicerad och till stor del styrd av ubåtens detaljutformning. Vid formgivning av en ubåt är det hydrodynamiskt önskvärt att eliminera utstickande skrovdelar som ger upphov till virvlar, samt att finna nya konstruktioner som minskar strömningsoregelbundenheter i propellerplanet. För att minimera buller och för att skapa optimala förutsättningar för sonaren bör förskeppet utformas så att omslaget mellan laminär (ordnad) och turbulent (oordnad) strömning blir så mjukt som möjligt. Akter om omslagslinjen är strömningen turbulent och gränsskiktet närmast skrovet domineras av kraftiga lokala variationer i hastighet och tryck. Dessa variationer ger upphov till det hydrodynamiska motståndet och strömningsinducerat buller, som ökar vid högre hastigheter, och kan bidra till att ubåten röjs.
Avslöjande vinkel mellan torn och skrov
Stor uppmärksamhet bör också ägnas åt att utforma tornet på ett så bra sätt som möjligt. Vid övergången mellan tornet och skrovet skapas en hästskoformad sk rotvirvel som löper akterut. Detta virvelpar misstänks vara en viktig bullerkälla och kan även förorsaka strukturvibrationer och starka strömningsoregelbundenheter i propellerplanet. För att eliminera dessa måste övergången mellan tornet och skrovet utformas med stor omsorg, alternativt kan tornet ges mjukare former. Tornet ger också upphov till en virvelgata som sträcker sig akterut, uppbyggd av många virvlar av olika storlekar, vilket också genererar oregelbundenheter i propellerplanet samt påverkar kölvattnet. Torntoppen ger upphov till starka virvlar som sträcker sig akterut, dessa påverkar ej propellern, men kan, vid ändring av dykdjup, nå ytan och därmed röja ubåten. Detsamma gäller för eventuella tornroder.
Akterroder är en annan källa till oregelbundenheter i strömningen, speciellt i propellerplanet, då varje roder ger upphov bla till ett virvelpar och en hästskovirvel.
Propellern ska inte bara ge en effektiv framdrivning. Den ska också arbeta så tyst som möjligt och får inte skapa luftblåsor, kavitera, i vattnet. Dessa blåsor kollapsar med ett ljud som kan avslöja ubåten. Propellern arbetar i ett kraftigt varierande turbulent strömningsfält. Liksom hos ett ytfartyg bildas ett kölvatten, en vak, med ett för ubåten och propellern karakteristiskt virvelmönster vars storlek, form och livslängd bestäms av ubåtens geometri och fart. Turbulensen i vaken, tillsammans med det jordmagnetiska fältet, kan dessutom ge upphov till detekterbara elektriska strömmar.
När ubåten färdas genom vattnet bildas tryckvågor som kan aktivera sensorer, kopplade till t ex minor, och inre vågor, som kan nå ytan med påföljd att vågmönstret på ytan förändras. Dessa inre vågor skapar en omrörning av vattenmassan, vilket även kan leda till temperaturskillnader på vattenytan. Sådan påverkan på vattenytan är lätt att detektera från tex flygplan med radar.
Torn och roder flyttas i datorn
Kunskap om ubåtars manöveregenskaper och signaturer kan erhållas genom experiment med skalmodeller i skeppsrännor och genom datorsimuleringar. Teknikerna ger delvis olika information men kompletterar varandra. Fördelen med datorsimuleringar är att de är förhållandevis billiga och ger en detaljerad bild av strömningsförloppet. Till exempel kan datorsimuleringar användas till utformning av formskrovet med placering av torn och roder, samt för att ge en detaljerad bild av strömningen i propellerplanet. Denna information kan användas vid design av propellern där antal blad, utformning och mekaniska egenskaper är av avgörande betydelse för hur tyst ubåten är. En modern ubåtspropeller roterar långsamt och har ett ojämnt antal svepta blad. Den svepta formen gör att propellern inte möter vattnet i en tvär rörelse och därmed ersätts den snärtiga ljudet med ett mer svischande ljud som är mycket svårare att höra. Gängse datormodeller ger endast information om medelströmningsfältet, men tidsupplöst information krävs för att kunna förutsäga omslag, virvelbildning, kavitation, dynamiken i propellerplanet samt strömningsinducerat buller.
Nästa generations simuleringsmodeller
FOA utvecklar nästa generations simuleringsmodeller kring tex marina farkoster och inom aerodynamikområdet för att studera olika strömningsproblem. Det beräknade strömningsfältet kring en amerikansk ubåt framgår av grafiken. Här ser man tydligt spetsvirvlarna, den hästskoformade virveln kring tornroten, virvelgatan bakom tornet och vaken. Förutom formgivning och signaturfrågor studeras även manöveregenskaper, vilket är speciellt viktigt i grunda farvatten och vid operativt känsliga moment som utskjutning av torped samt dockning av obemannad undervattensfarkost. Detaljerad kunskap om strömningsfältet kring ubåten leder till bättre formgivning av ubåtar samtidigt som vår förmåga att uppskatta ubåtars manöverförmåga och signaturer ökar. Inom detta område samarbetar FOA med Kockums, bla inom ramen för ett doktorandprojekt där Chalmers tekniska högskola ingår.
Från FOA-tidningen nr 2-2000 - www.foi.se/framsyn