指挥台围壳线型优化数值模拟及PIV试验研究综述∗

2023-08-04潘龙德崔立林

舰船电子工程 2023年4期

潘龙德崔立林程果

（1.海军工程大学振动与噪声研究所武汉 430033）（2.船舶振动噪声重点实验室武汉 430033）

1 引言

潜艇在水下航行时，发出的噪声主要有三方面的来源，分别是机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。其中，水动力噪声的典型特征是其噪声总级大概率正比于流体速度的5～7 次幂，在流体速度超过10kn，也就是高航速时，其噪声总级甚至与流体速度的10 次幂成正比［1］，随着潜艇航行速度的提升，围壳部位产生的水动力噪声问题逐渐引起相关人员的关注。聚焦围壳产生的突出水动力噪声相关问题，美国专门研究潜艇水动力、噪声和结构的综合研究单位——水面战争研究中心卡得洛可分部，曾经专门提出有关先进围壳研发的项目（Ad⁃vanced Sail Project），此项目在水动力、复合材料技术、水动力噪声、结构设计等几个方面全面的对潜艇指挥台围壳进行详细研究［2］。综上可以看出，指挥台围壳可能是目前及日后潜艇噪声的主要来源。因而改善指挥台围壳部位的水动力噪声对于控制潜艇的噪声、提高潜艇的声隐身性能等具有重大作用。围壳线型对马蹄涡有显著影响，马蹄涡是指挥台围壳主要噪声源；此外，围壳线型对围壳尾流也有显著影响，影响螺旋桨噪声。

优化指挥台围壳线型可以有效降低指挥台围壳部位的水动力噪声，将梳理关于优化指挥台围壳线型的理论和方法的研究现状，包括数值计算方法和PIV 试验测量，并总结指挥台围壳线型的优化形式。

2 计算流体力学研究现状

通过水动力试验来探究指挥台围壳对潜艇流噪声的影响会花费大量人力物力财力，相比之下，使用计算机来进行数值计算模拟潜艇的流场有巨大优势，且可重复性高，数值计算正在成为研究水动力问题的首选。国内外很多学者都曾进行了数值仿真计算。俞孟萨［3］等在国外舰船水动力噪声的研究进展概述中，总结了水动力噪声的研究现状和发展趋势。王春旭［4］等对流致噪声产生机理以及预报方法进行了综述，对在工程应用中主流应用的流致噪声的预报方法的基本原理和适用情况进行了详细讨论，最后对流致噪声的数值模拟方法进行了总结。李环［5］等综述了水动力噪声的计算方法，并比较了粘声分离法、声类比法和声边界条件法等三种在舰船水动力噪声预报方面具有优势的方面。

1）分离涡数值模拟方法研究现状

分离涡模拟模型大体上可分成非分区和分区两类，其中，非分区分离涡模拟模型将LES 模型RANS 模型集成在一个框架之中，模型之间根据计算实际来进行自动切换［6］；另一种称为区域分离涡模拟模型，这种模型是人为划分区域，在不同区域需要人来选择相应的计算模型进行计算［7］。分离涡模拟的计算模型是由Spalart［8］最早提出来的，这种模型最早提出来的原因是为解决大规模的分离涡流动问题。

K.R.Reddy［9］等对基于Smagorinsky 型涡粘公式的DDES 模型进行了校正，Chuangxin He［10］等在k-ω SST 模型和已有的k 方程子网格尺度模型的基础上，建立了一种新的动态延迟分离涡模拟（Dy⁃namic DDES）模型。改进的模型在流场中的试验表明该模型对强剪切层和循环气泡内的平均湍流速度有较好的预测效果，当流场不含湍流成分时，该模型可以快速从RANS 切换到LES。P.R.Spalart［11］等提出了一种可以克服模糊网格密度的新版本的分离涡模型，它是在DES97 的基础上进行修改，类似于Menter 和Kuntz 提出的剪切应力传输模型（SST），但也适合于其他模型。N.V.Nikitin［12］等采用专门的为分离涡模拟设计的子网格尺度模型，对摩擦雷诺数高达8×104的流道进行了计算量适中的大涡模拟。Mikhail S.Gritskevich［13］等进行了k-ω剪切应力模型的DDES 和IDDES 公式的发展的相关研究，微调了这些方法的RANS 模型，并将改进后的模型在一系列附加流动和分离流动上进行了广泛的测试。Z.Yin［14］等开展了延迟分离涡数值计算中模型常数的动态预测计算，提出了一种实现局部动态计算过程的常数值。孙月［15］等在国际船模水池会议的计算流体力学推荐规程基础之上，对经简化的全附体SUBOFF 模型应用延迟分离涡模型进行了瞬态流场数值模拟研究，最终结果真实可靠。胡岳［16］等开展了参数对分离涡数值模拟计算的影响方面的研究，结果显示：SST k-ω湍流模型参数a1变化对数值计算结果有影响，参数a1越大，回流区长度越小。

王建华［17］等应用分离涡模型数值计算了船体伴流，为后续学者进行肥大型船舶的尾部伴流场的研究提供了借鉴。陈浩［18］等开展了基于LES/RANS混合方法的数值模拟研究，在处理定态非定常的分离流动问题时，几种模型计算结果差别不大，但是当处理非定态非定常的分离流动问题时，IDDES模型就会展示出巨大的优势，所以在解决非定态非定常的分离流动问题时，数值计算应选择IDDES类模型。冯世客［19］应用SST k-ω DES 模型进行数值模拟计算，分析得出会对建筑物周围的流场产生剧烈影响的建筑物的形态特征。张文霞［20］开展了基于分离涡方法的风电机组尾流效应研究，探究了风速对无干扰尾流场的影响规律。王志勇［21］等应用ID⁃DES（改进的延迟分离涡模拟）模型，并结合滑移网格方法，对对转桨和对转舵桨的水动力性能进行了预报研究，验证了采用IDDES模型进行数值模拟的可行性。王秀勇［22］等在进行核主泵水动力性能非定常特性分析时，选择了分离涡模拟模型，并结合Q 准则捕捉了漩涡结构。龚杰［23］等应用DES（分离涡模拟）方法对设计工况下导管螺旋桨的尾流场和尾涡特性进行了数值模拟分析。刘佳豪［24］等对比了旋翼-机翼组合体悬停状态下的IDDES 和RANS数值计算的结果，IDDES 数值计算的流场更为精细。胡晓峰［25］等应用IDDES（改进的延迟分离涡方法）数值模拟计算了深吃水半潜平台的涡激运动，验证了该计算方法的准确性。此外，胡晓峰［26］还采用IDDES（改进的延迟分离涡方法）数值模拟计算了在湍流边界层分离下张力腿平台的阻力特性。

2）其他数值模拟方法研究现状

Saeed Abedi［27］等应用无附体SUBOFF 潜艇模型进行了数值模拟研究，探究了球鼻艏对潜艇绕流场涡量的影响情况，说明了数值计算方法的准确性。张楠［28］等将LES 和FW-H 相结合，对五种不同尺度的方形孔腔在水中的噪声特性进行了数值计算并对结果进行分析，说明了该数值预报方法的准确性。宫伟力［29］等对LES（大涡模拟）理论的发展过程、基本理论及其发展现状作了概述，并进行了示范讲解，说明该理论模型对湍流精细流场有很强的数值模拟能力，可以解决工程实际的许多问题。Dakui Feng［30］等采用大涡模拟数值计算模型数值计算了雷诺数为2.65×107的SUBOFF 潜艇模型的流场，将仿真结果与试验结果比对后得出数值仿真的结果与试验结果十分吻合。张怀新［31］等采用RANS（雷诺平均方程）数值模拟了三种不同截面潜艇周围粘性流场，通过对三种数值计算结果的比较，给出了三种方案各自的优缺点。吴方良［32］等采用RANS方法数值计算了全附体SUBOFF模型的三维流场，研究了潜艇指挥台围壳对潜艇水动力性能的影响，验证了CFD计算方法的可行性。李亚林［33］等以SUBOFF 标准潜艇模型的围壳为研究对象，应用LES 方法数值研究了指挥台围壳与艇体交接部位的流场绕流情况，并计算流激噪声情况，其研究结果可为今后设计流动控制装置、降低指挥台围壳部位产生的水动力噪声提供一定的借鉴，也为新型指挥台围壳的设计制造打下了坚实基础。Joseph J［34］等应用（Reynolds Averaged Navier-Stokes，RANS）模型对更先进的指挥台围壳形式进行了研究，并将数值计算结果与缩比模型试验结果进行比对，结果证实了应用数值计算方法进行指挥台围壳的研究设计的可行性。姜宜辰［35］等采用数值计算方法探究了潜艇附体位置对水下航行体的伴流场影响，为优化潜艇附体的安装位置提供理论支持。杨琼方［36］等结合大涡模拟与声学边界元方法，数值预报了流噪声在空间上的分布情况以及声指向性等特性，得出了等效的声中心位置并分析了其受螺旋桨旋转作用的影响情况。曾文德［37］等进行了全附体潜艇的流噪声数值模拟仿真计算，得到了特征点处的总声级和声场指向性的分布规律。黄胜［38］等对带有螺旋桨的潜艇模型进行了流场及流噪声的数值计算研究，结果说明了所采用的的计算模型能够准确得出相应的结果。许影博［39］等采用大涡模拟和FW-H 相结合的数值仿真方法对翼型水动力噪声进行了数值模拟研究，说明了数值计算的准确性。

3 潜艇PIV流场测试研究现状

在PIV（Particle Image Velocimetry）技术快速发展的背景下，船舶与海洋工程领域内，有越来越多的学者在利用PIV 来进行相关的流场研究，主要的PIV 系统为岸基式PIV 和随车式PIV。岸基式PIV测量系统多用于空泡水筒、循环水槽等试验设备之中；随车式PIV 测量系统则主要在船模拖曳水池中应用。在拖曳水池进行试验时，船舶的航行姿态会发生变化，同时会有自由液面兴波的产生，这样的测量试验会更加接近于真实的船舶航行状态下的绕流场，但随车式PIV 也有其弊端，那就是制造成本偏高，模型试验的难度偏大。

图1 试验设备

陈虎［40］等在文献综述中详尽介绍了国外流场的测试技术和可视化研究方法的发展现状，概述了相关领域的研究进展，对舰船流场测量和可视化技术的关键技术进行了总结归纳，并对舰船流场测试技术和可视化技术未来可能的发展状况进行了总结归纳。张军［41］等介绍了PIV 技术的三个具体应用，展示了该系统的发展过程以及在船舶与海洋工程领域内的作用和未来前景。程明道［42］等介绍了国内随车式PIV 测量系统的设备配置和第一次使用情况，采用水面舰船作为研究对象，获得了一些有价值的数据，可以为我国需应用随车式PIV 测量系统进行试验的相关科研工作者积累了十分宝贵的经验。张国平［43］等详细描述了在中国船舶科学研究中心建立的第一套随车式水下三维PIV 测试系统的构成以及各种测量模式，并通过开展试验性的研究对该套PIV 测量系统进行了评估。张文照［44］等应用PIV 技术对潜艇尾流场和水动力噪声的测量方法进行了研究。

F.Di Felice［45］等利用SPIV 技术在一个大型空化水槽中对带有五叶螺旋桨的船舶模型进行了尾迹试验探究，通过对螺旋桨旋转过程和不同纵向位置尾迹及其演变过程的研究，表明立体PIV 技术在进行复杂流场研究试验时具有较高的精度。

Francisco Pereira［46］等设计了一款独特的、高度模块化的、灵活的PIV 测量系统，并将其应用于实际测量中。该仪器适用于大型的试验设备。

图2 试验及结果

F.Di Felice 和Francisco Pereira［47］一同总结了PIV技术在舰船流体力学中的发展与应用。

N.Bose［48］等利用SPIV（Stereo Particle Image Ve⁃locimetry）对导管推进器在不同推进系数情况下的尾流场水动力特性进行了研究。

Jie Gong［49］等利用PIV 技术测量了某采用泵喷推进的船模自航行试验，测量了导管内的速度分布情况，试验结果有助于后续相关研究的推进。

G.Aloisio［50］等对某船模在自由横摇时的PIV测量试验，给出了船舶模型在强迫横摇运动中绕船速度场的试验分析与总结。

图3 空化水槽中螺旋桨PIV设置

图4 试验模型及布置

图5 试验设置图

M.Falchi［51］等应用PIV 技术测量了双体船在产生漂角过程中绕船速度场的分布情况，重点研究了漩涡的产生、分离、向下游演化等机理。

图6 水下雷体实物图

Chun-yu Guo［52］等采用PIV 技术对巴拿马型散货船的流场尾迹进行了试验研究，在试验中测量了弗劳德数为0.167情况下的螺旋桨盘面处的平均速度和瞬时速度、湍流特性和流场涡量信息等。

图7 示意图及结果图

赵峰［53］等在中国船舶科学研究中心的中型拖曳水池中进行了PIV 测试，对五种不同的尾附体与回转体的连接形式的模型进行了研究，给出了直观定量的评估。

以上总结梳理了两种指挥台围壳线型优化所涉及的方法，下面总结目前已有的指挥台围壳线型优化形式。

4 指挥台围壳线型优化研究现状

Xihui Wang［54］等应用数值模拟技术研究了不同围壳形状时对潜艇水动力噪声的影响。结果表明改变指挥台围壳前缘线型可以有效抑制潜艇水动力噪声，可使声压级降低4.69dB。

吕鸣鹤［55］应用数值计算方法研究分析了不同指挥台围壳优化方案特性，将全附体SUBOFF 标准模型的指挥台围壳水平位置、高度及外形做优化后，综合得出最优的指挥台围壳设计方案。

柏铁朝［56］等对标准SUBOFF 潜艇模型的指挥台围壳进行了线型的优化，分别的得到了低矮化和两种流线化指挥台围壳，应用数值计算方法模拟计算分别得到其水动力性能和表面压力分布情况，得出低矮化和流线化后的指挥台围壳可以优化潜艇水平转向时的横倾角和纵倾角，为后续潜艇指挥台围壳的设计优化提供了一定借鉴意义。

图8 围壳线型图

图9 围壳示意图

许际波［57］等对指挥台围壳低频流激噪声进行了数值模拟研究，得出在潜艇的航速不同或者指挥台围壳结构不同时，所诱发的流激辐射噪声会有差异，为工程实践设计提供了一定的参考借鉴。张楠［58］等开展了潜艇指挥台围壳线型优化对抑制脉动压力与流激噪声的效果方面的数值模拟研究，对潜艇指挥台围壳进行了前缘加装填角以及三维座舱型围壳等优化，分别对原指挥台围壳和线型优化后的指挥台围壳进行了指挥台围壳部位涡量的分布特性和噪声分布特性数值计算，分析结果表明线型优化后的指挥台围壳可以减小脉动压力与流激噪声的产生，可以很好地改善流动品质，可以为潜艇流声耦合和未来潜艇的设计提供一定参考借鉴。三种线型围壳示意图如下。

图10 不同线型指挥台围壳

图11 不同指挥台围壳型线图

杜波［59］等数值模拟了三种不同指挥台围壳外型对阻力、流场以及压力等方面的影响，并说明了数值计算方法的可靠性。盛立［60］等在原SUBOFF潜艇模型基础上，设计了四种指挥台围壳线型，分别进行仿真模拟研究，对仿真得出的四种指挥台围壳的轴向速度分布、指挥台围壳周围漩涡分布、不同截面处的速度分布等进行了分析，结果表明斜壁式指挥台围壳设计可以改善桨盘面处的流场均匀性；指挥台围壳尖瘦的前缘线型能提高螺旋桨的伴流品质的同时，还可以降低阻力。四种指挥台围壳线型如下。

图12 四种指挥台围壳线型

刘龙举［61］等对SUBOFF 标准模型进行沙丘化改进后，开展了指挥台围壳阻力和尾部伴流等方面的数值模拟研究，针对沙丘型指挥台围壳的优化方案对潜艇阻力和尾部伴流等方面的影响进行了初步探索，为指挥台围壳的设计优化提供了新思路，王开春［62］等对尺度放大的SUBOFF 潜艇模型以及在SUBOFF 潜艇模型基础之上进行指挥台围壳改进的三种潜艇模型进行了数值模拟研究，结果显示将指挥台围壳后缘形状从矩形变为梯形，可以改善指挥台围壳尾流品质，从而可以降低潜艇流激噪声。四种不同指挥台围壳线型图。