聲吶導流罩關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對航行阻力的影響

倪守隆,杜禮明，于德壯

(大連交通大學 遼寧省高等學校載運工具先進技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116028)

聲吶導流罩關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對航行阻力的影響

倪守隆,杜禮明，于德壯

(大連交通大學 遼寧省高等學校載運工具先進技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116028)

摘要：外形輪廓和結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定聲吶導流罩航行阻力與水聲性能的主要因素，導流罩突出于船體的底部或首部，可以明顯降低水流對聲吶探測性能的影響，但其在一定程度上增大了航行阻力。本文通過數(shù)值方法研究導流罩的最大水面線長寬比和最大縱剖面寬高比等關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對某I型船航行阻力的影響。結(jié)果表明，聲吶導流罩的長寬比為3.4~3.6及寬高比為1.1~1.2時，船航行時所受的阻力明顯比加裝其他比例的導流罩小，且其排水體積相對整個船的排水體積也較小，綜合性能最佳。數(shù)值結(jié)果與相關的實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

關鍵詞：聲吶導流罩；結(jié)構(gòu)參數(shù)；航行阻力；數(shù)值模擬

0引言

現(xiàn)代大、中型水面艦艇艇舷底部大多配置了綜合聲吶設備。艦艇或潛艇在航行或停泊狀態(tài)時，均有較大的水流從聲吶傳感器表面流過。為提高聲吶的信噪比和探測能力，就要避免界層分離，以免產(chǎn)生漩渦噪音而影響聲吶的使用效果[1-2]。另外，當船舶航行時，由于其壓力分布不均勻，導致導流罩表面會形成脈動壓力，在一定程度上增大了航行阻力[3]。也就是說，除了聲吶設備本身外，聲吶性能和航行阻力是決定聲吶導流罩外形結(jié)構(gòu)及其空間的主要參數(shù)，而聲吶性能和航行阻力對導流罩外形的要求一致[3]。因此，研究導流罩外形的結(jié)構(gòu)參數(shù)對船舶航行阻力的影響，對提高聲吶探測性能和降低航行阻力有重要意義。

由于艦船航行時，導流罩處流場十分復雜，形成多種行進阻力。利用傳統(tǒng)試驗方法(如船模阻力實驗、流線實驗及實船實驗)分析導流罩對船體航行時的阻力影響，分析難度高、耗費大、周期長且準確度差。而采用數(shù)值模擬方法，則成本低、速度快、且可以模擬真實條件和理想條件，在各領域越來越受到重視[4]。

文獻[5]通過數(shù)值方法研究了5種導流罩外形結(jié)構(gòu)外形對航行阻力的影響，結(jié)果表明導流罩外形為頭部流線型、尾部半圓型的綜合性能最佳。在該文研究基礎上，本文研究導流罩的最大水面線長寬比和最大縱剖面寬高比等關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對船航行阻力的影響，從而得到航行阻力最小的導流罩外形結(jié)構(gòu)參數(shù)，為聲吶導流罩的優(yōu)化設計提供參考。

1計算模型與網(wǎng)格

1.1　計算模型

本文研究的是某I型海監(jiān)船安裝不同結(jié)構(gòu)尺寸的導流罩后在水中的航行情況。模擬工況為滿載出港排水量，海況小于2級，風力小于蒲氏3級，主機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，最大試航航速為16 kn，經(jīng)濟航速為14 kn。按照設計思路，導流罩安裝在該船69~75#肋骨之間的船底下，與船縱向中心面重合，大頭朝艦首方向，原始導流罩外形輪廓尺寸為2.52 m×1.22 m×1 m，重量為2 500 kg，如圖1所示。由于本文主要研究聲吶導流罩外形結(jié)構(gòu)參數(shù)對船舶航行阻力的影響，為簡化起見，建模時只考慮船體吃水線以下部分，而對船體的其他結(jié)構(gòu)不做研究，并忽略導流罩對興波阻力的影響。

圖1　船體吃水線以下部分Fig.1　The part of ship under waterline

圖2　聲吶導流罩三維模型Fig.2　Model of sonar dome

在導流罩性能最優(yōu)外形輪廓確定[5]及滿足安裝聲吶設備的條件下，導流罩的阻力性能與聲吶水聲性能主要取決于圖2 所示的關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及其之間的比例關系，即最大水面線長寬比(導流罩與船體接觸面的水面線最大長度l與最大寬度t的之比, 即l/t值)及導流罩最大縱剖面寬度t與高度h之比(即t/h值)[3]。下面針對導流罩外輪廓的這2個關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)開展研究，分析其對航行阻力的影響。

1.2　網(wǎng)格劃分

流場邊界采用長方體類型，將流場劃分為4個區(qū)域，其中區(qū)域2是包含船體在內(nèi)的動區(qū)域，其區(qū)域范圍隨船的運動而不斷變化。由于船及導流罩處外形比較復雜，對此區(qū)域進行混合網(wǎng)格劃分，生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。其他3個計算區(qū)域形狀規(guī)則，劃分為六面體網(wǎng)格。計算域的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　計算域的完整網(wǎng)格Fig.3　The full mesh of the computational domain

1.3　數(shù)值方法與邊界條件

根據(jù)該船的航行速度可以認為，船體附近的流體處于湍流狀態(tài)，且是不可壓縮流體，遵守湍流輸運方程[6]，湍流模型采用標準k-ε模型。船在航行時涉及到空氣和海水這兩相，采用VOF(Volume of Fluid)多相流模型對其航行進行模擬。PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法用于速度和壓力間的耦合計算。在數(shù)值離散方面，采用二階迎風格式以提高計算精度。航行中的船舶周圍流場可以視為動態(tài)變化的流場，船體表面即為運動的流場邊界，可以使用動網(wǎng)格模型對船舶航行時其周圍流場進行模擬研究[7]。本文采用動網(wǎng)格技術(shù)中的動態(tài)層和局部網(wǎng)格重劃模型來模擬船的航行過程。

邊界條件的設定：出口采用壓力出口邊界條件，設置出口邊界的靜壓為0，即出口處壓力為標準大氣壓；船體表面采用無滑移邊界條件，即給定法向速度Vn=0。

2計算結(jié)果與分析

原始導流罩外形輪廓只考慮到容納聲吶設備的基本尺寸，并未考慮如何提高聲吶性能和降低航行阻力。以下在滿足導流罩收納聲吶設備的基本要求條件下，研究導流罩的長寬比和寬高比與降低航行阻力的關系。

2.1　導流罩的水面線長寬比對航行阻力影響

參考文獻[3]，假定高度h=0.25l(即長高比為4.0時導流罩性能最優(yōu))，在此基礎上設置在長寬比l/t=2.0~5.0之間的14種導流罩進行分析，各方案的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

對以上14種方案，分別模擬分析某I型船在經(jīng)濟航速14 kn和最大試航速度16 kn時所受的阻力情況。由于加裝同一尺寸導流罩的船在不同航速下所受阻力的特征完全相同，只不過航速大時阻力特征表現(xiàn)更為明顯，因此本文僅介紹最大試航速度16 kn時船所受的阻力情況。

以導流罩水面線長寬比為3.0時的模擬結(jié)果為例，分析船體與導流罩所受阻力情況。圖4和圖5是船航行時船體周圍、船底以及導流罩附近的壓力云圖。從圖中可看出，船體壓力從上往下逐漸增大，這與水壓相對應。船舶航行時船的頭部對水體有壓縮作用，導致船首處壓力高于船體其余同一水平位置處的壓力。由于船的航行而使船

圖4　船速為16 kn時船體所受的壓力Fig.4　Pressure distribution of the ship at the speed of 16 kn

圖5　船速為16 kn時導流罩附近壓力Fig.5　Pressure distribution around sonar dome profile at　the speed of 16 kn

尾處產(chǎn)生一定的負壓，同時還伴隨有漩渦的產(chǎn)生。正是由于船體首尾的這種正負壓力差形成了船航行時的阻力。圖5為導流罩周圍所受壓力，從圖可以看出，船航行時導流罩前部同樣對水有壓縮作用，使該部位的壓力明顯升高，而導流罩后部形成一定的負壓區(qū)。也正是由于導流罩頭尾的壓力差的形成增大了船舶航行時的阻力，這種壓力差越大，船舶的航行阻力也就越大。相比壓差阻力而言，由于船體表面比較光滑且流線型比較好，船航行時產(chǎn)生的摩擦阻力比較小。

表1最大水面線長寬比導流罩的尺寸參數(shù)(m)

Tab.1The size of the sonar dome at the length-width ratio

of maximum water surface

l/t2.02.52.72.93.03.23.4l×t×h2.44×1.22×1.053.05×1.22×1.053.29×1.22×1.053.54×1.22×1.053.66×1.22×1.053.90×1.22×1.054.15×1.22×1.05l/t3.53.63.84.04.24.55.0l×t×h4.27×1.22×1.074.39×1.22×1.104.64×1.22×1.164.88×1.22×1.225.12×1.22×1.285.49×1.22×1.376.10×1.22×1.53

圖6　船速為16 kn時剖面速度分布Fig.6　Velocity contour of the vertical profile at the speed of 16 kn

圖7　船速為16 kn時的阻力監(jiān)測曲線Fig.7　Monitored resistance curve of the ship at the speed of 16 kn

圖6為船航行時剖面上的速度分布云圖。由圖可知，船首、導流罩以及船尾處水流速度明顯增大，船尾處速度梯度很大，產(chǎn)生漩渦較多，表明此處發(fā)生了流動分離現(xiàn)象，造成船航行時阻力增大。圖7是船航行時的阻力系數(shù)隨時間的變化情況，可見船開始航行時阻力并不穩(wěn)定，會出現(xiàn)一定的波動，大約經(jīng)過3 s航行阻力就基本趨于穩(wěn)定，此后船航行速度不變時阻力基本不變，這與實際完全相符。

對加裝了不同長寬比導流罩的船運行穩(wěn)定時所受的航行阻力進行統(tǒng)計分析，得到航行阻力與導流罩最大水面的線長寬比關系如圖8所示。

圖8　加裝不同長寬比導流罩的船在速度16 kn時的航行阻力Fig.8　The sailing resistance of the ship installing different　length-width sonar dome at the speed of 16 kn

由圖可知，船航行時所受的阻力先隨著導流罩長寬比的增大而逐漸減小，導流罩在水面線長寬比增大至3.5時航行阻力達到最小值，其后隨著長寬比的進一步增大，航行阻力逐漸增大，說明并不是導流罩越細長，船航行時的阻力就越小。導流罩的長寬比在3.4~3.6之間時，船航行時受到的阻力較小，且此時導流罩的總排水體積較小，綜合性能最佳。隨著導流罩長寬比進一步增大，船航行阻力先增大后減小，在比值為4.2時達到極大值，此后逐漸趨于穩(wěn)定，但長寬比的增大會使導流罩的排水體積明顯增大，制造成本增大，綜合性能不佳。這一模擬結(jié)論與文獻[3]的水模實驗結(jié)果完全相符。

對模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合可以得到船航行阻力與導流罩長寬比的關系式，以預測加裝其他長寬比導流罩的船航行時所受的阻力，減少數(shù)值計算量，節(jié)約時間并為實際設計提供參考。擬合得到的函數(shù)關系式如下式所示：

式中Fd為船航行時所受的阻力。

決定系數(shù)R2=0.911，表明趨勢線的估計值與實際數(shù)據(jù)的擬合程度比較高。

2.2　導流罩的最大縱剖面高寬比對航行阻力影響

根據(jù)以上模擬結(jié)果，水面線長寬比為3.5時船舶的航行阻力性能最佳，因此，在分析導流罩最大縱剖面的寬高比影響時，保持導流罩的水面線長寬比3.5不變，即保持導流罩的長寬分別為4.27 m和1.22 m不變。參照文獻[3]的建議，設置9個不同寬高比t/h的導流罩模擬方案進行分析，方案設置如表2所示。

表2　最大縱剖面高寬比導流罩的尺寸參數(shù)(m)

針對以上9種不同高寬比的導流罩，模擬分析某I型船以最大試航速度16 kn航行時所受的阻力情況。以導流罩最大縱剖面寬高比為1.14時的模擬結(jié)果為例，分析船在航行時所受阻力的情況。

圖9和圖10是船在加裝最大縱剖面寬高比為1.14的導流罩，以最大試航速度16 kn航行時船體周圍、船底以及導流罩的壓力云圖。從圖中可看出，船體周圍、船底以及導流罩附近的壓力變化情況與圖5基本一致，但導流罩頭尾的最大正負壓力差明顯減小，也就是航行阻力顯著降低。原因在于此次研究的導流罩長寬比為3.5、寬高比為1.14，相對長寬比為3.0、寬高比4.0的導流罩，船航行時的阻力小很多。圖10為導流罩附近所受的壓力，從此圖可以看出，導流罩前部對水有壓縮作用，使該部位壓力明顯升高，達到船航行時的最大正壓力，而導流罩后部會形成一定負壓區(qū)。但是由于導流罩在船底，其受到的水壓比較大，使得導流罩前部受到的壓力更大，導流罩后部產(chǎn)生的負壓被抵消，形成一定的正壓力。

圖9　導流罩的寬高比為1.14時船體所受的壓力Fig.9　Pressure distribution of the ship with sonar dome at the　width-height ratio of 1.14

圖10　導流罩的寬高比為1.14時導流罩所受的壓力Fig.10　Pressure contour around sonar dome at the　width-height ratio of 1.14

對加裝了不同寬高比的導流罩的船航行穩(wěn)定時所受的阻力進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到如圖11所示的航行阻力與導流罩縱剖面寬高比的關系。

由圖11可知，船航行時所受的阻力隨著導流罩寬高比的增大先逐漸增大，導流罩寬高比增大至1.0時船的航行阻力會達到極大值，其后隨著寬高比的進一步增大，航行阻力會先減小后增大。在寬高比達到1.14時，船的航行阻力會達到最小值，此時導流罩的高度為1.07 m，長高比l/h為4.0，滿足聲吶設備對導流罩的尺寸要求。文獻[3]的實驗結(jié)果也表明，此時船的航行阻力會比加裝其他寬高比的導流罩小的多，綜合性能最佳，可見本文的數(shù)值結(jié)論與實驗高度吻合。隨著導流罩的寬高比超過1.14后，船的航行阻力隨之逐漸增大，但當寬高比達到1.3及以上時，導流罩的高度減小到0.94 m以下，內(nèi)部容積過小，將會限制聲吶設備的安裝與使用，因此寬高比大于1.3的導流罩沒有使用價值。寬高比低于1.05時，導流罩的高度過大，航行阻力性能不佳而且制造成本增大，沒有實際意義。

圖11　加裝不同寬高比導流罩的船在速度16 kn時的航行阻力Fig.11　The sailing resistance of the ship installing different　width-height sonar dome at the speed of 16 kn

綜上所述，導流罩的寬高比在1.1~1.2之間時，船航行阻力較小，其結(jié)構(gòu)參數(shù)能滿足安裝聲吶設備的要求，綜合性能最好。

3結(jié)語

建立了船舶在水中航行的三維數(shù)值模型，研究了導流罩的最大水面線長寬比及最大縱剖面寬高比等關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對船舶航行阻力的影響，得出以下結(jié)論：

1)導流罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其航行阻力影響明顯。在能滿足安裝聲吶設備的條件下，導流罩并非越小其所受航行阻力越小，而存在一個最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)使其阻力性能與聲吶水聲性能最優(yōu)。

2)導流罩的最大水面線長寬比在3.4~3.6時，所受航行阻力比較小，且此時其總排水體積較小，綜合性能最佳；

3)導流罩的最大縱剖面寬高比在1.1~1.2時，航行阻力較小，且此時導流罩的尺寸也滿足安裝聲吶設備的尺寸要求，綜合性能最佳。

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Effect of key structure parameters for sonar dome on sailing resistance

NI Shou-long,DU Li-ming,YU De-zhuang

(Province Key Lab of Vehicle Engineering Advanced Technology,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Abstract：Sailing resistance and underwater acoustic performance are decided by the profile and structure parameters of sonar dome. Owing to protruding from the hull bottom or the head of a ship, sonar dome can significantly reduce influence of water flow on detecting objective performance of sonar, while at the same time it increase sailing resistance to some extent. In the present thesis, effects of some key structure parameters, such as length-width ratio of the maximum water surface line of a sonar dome and width-height ratio of the maximum longitudinal section, on sailing resistance of certain I ship was numerically researched. The numerical results show that sailing resistance of the ship installed with the sonar dome whose length-width ratio is about 3.4~3.6 and width-height ratio is about 1.1~1.2 is significantly smaller than installed with other sonar dome. Moreover, the drainage volume of the sonar dome is smaller than others and its comprehensive performance is best compared with other sonar dome. The numerical results agree well with the experimental data.

Key words：sonar dome;parameters structure;sailing resistance;numerical simulation

作者簡介：倪守隆(1989-)，男，碩士研究生，主要從事機車車輛流體動力學研究。

收稿日期：2013-12-10； 修回日期： 2014-01-24

文章編號：1672-7649(2015)01-0050-06

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.010

中圖分類號：U662.2

文獻標識碼：A