指揮臺圍殼線型優化數值模擬及PIV試驗研究綜述?

潘龍德 崔立林 程 果

（1.海軍工程大學振動與噪聲研究所 武漢 430033）（2.船舶振動噪聲重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

潛艇在水下航行時，發出的噪聲主要有三方面的來源，分別是機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲。其中，水動力噪聲的典型特征是其噪聲總級大概率正比于流體速度的5～7 次冪，在流體速度超過10kn，也就是高航速時，其噪聲總級甚至與流體速度的10 次冪成正比［1］，隨著潛艇航行速度的提升，圍殼部位產生的水動力噪聲問題逐漸引起相關人員的關注。聚焦圍殼產生的突出水動力噪聲相關問題，美國專門研究潛艇水動力、噪聲和結構的綜合研究單位——水面戰爭研究中心卡得洛可分部，曾經專門提出有關先進圍殼研發的項目（Ad?vanced Sail Project），此項目在水動力、復合材料技術、水動力噪聲、結構設計等幾個方面全面的對潛艇指揮臺圍殼進行詳細研究［2］。綜上可以看出，指揮臺圍殼可能是目前及日后潛艇噪聲的主要來源。因而改善指揮臺圍殼部位的水動力噪聲對于控制潛艇的噪聲、提高潛艇的聲隱身性能等具有重大作用。圍殼線型對馬蹄渦有顯著影響，馬蹄渦是指揮臺圍殼主要噪聲源；此外，圍殼線型對圍殼尾流也有顯著影響，影響螺旋槳噪聲。

優化指揮臺圍殼線型可以有效降低指揮臺圍殼部位的水動力噪聲，將梳理關于優化指揮臺圍殼線型的理論和方法的研究現狀，包括數值計算方法和PIV 試驗測量，并總結指揮臺圍殼線型的優化形式。

2 計算流體力學研究現狀

通過水動力試驗來探究指揮臺圍殼對潛艇流噪聲的影響會花費大量人力物力財力，相比之下，使用計算機來進行數值計算模擬潛艇的流場有巨大優勢，且可重復性高，數值計算正在成為研究水動力問題的首選。國內外很多學者都曾進行了數值仿真計算。俞孟薩［3］等在國外艦船水動力噪聲的研究進展概述中，總結了水動力噪聲的研究現狀和發展趨勢。王春旭［4］等對流致噪聲產生機理以及預報方法進行了綜述，對在工程應用中主流應用的流致噪聲的預報方法的基本原理和適用情況進行了詳細討論，最后對流致噪聲的數值模擬方法進行了總結。李環［5］等綜述了水動力噪聲的計算方法，并比較了粘聲分離法、聲類比法和聲邊界條件法等三種在艦船水動力噪聲預報方面具有優勢的方面。

1）分離渦數值模擬方法研究現狀

分離渦模擬模型大體上可分成非分區和分區兩類，其中，非分區分離渦模擬模型將LES 模型RANS 模型集成在一個框架之中，模型之間根據計算實際來進行自動切換［6］；另一種稱為區域分離渦模擬模型，這種模型是人為劃分區域，在不同區域需要人來選擇相應的計算模型進行計算［7］。分離渦模擬的計算模型是由Spalart［8］最早提出來的，這種模型最早提出來的原因是為解決大規模的分離渦流動問題。

K.R.Reddy［9］等對基于Smagorinsky 型渦粘公式的DDES 模型進行了校正，Chuangxin He［10］等在k-ω SST 模型和已有的k 方程子網格尺度模型的基礎上，建立了一種新的動態延遲分離渦模擬（Dy?namic DDES）模型。改進的模型在流場中的試驗表明該模型對強剪切層和循環氣泡內的平均湍流速度有較好的預測效果，當流場不含湍流成分時，該模型可以快速從RANS 切換到LES。P.R.Spalart［11］等提出了一種可以克服模糊網格密度的新版本的分離渦模型，它是在DES97 的基礎上進行修改，類似于Menter 和Kuntz 提出的剪切應力傳輸模型（SST），但也適合于其他模型。N.V.Nikitin［12］等采用專門的為分離渦模擬設計的子網格尺度模型，對摩擦雷諾數高達8×104的流道進行了計算量適中的大渦模擬。Mikhail S.Gritskevich［13］等進行了k-ω剪切應力模型的DDES 和IDDES 公式的發展的相關研究，微調了這些方法的RANS 模型，并將改進后的模型在一系列附加流動和分離流動上進行了廣泛的測試。Z.Yin［14］等開展了延遲分離渦數值計算中模型常數的動態預測計算，提出了一種實現局部動態計算過程的常數值。孫月［15］等在國際船模水池會議的計算流體力學推薦規程基礎之上，對經簡化的全附體SUBOFF 模型應用延遲分離渦模型進行了瞬態流場數值模擬研究，最終結果真實可靠。胡岳［16］等開展了參數對分離渦數值模擬計算的影響方面的研究，結果顯示：SST k-ω湍流模型參數a1變化對數值計算結果有影響，參數a1越大，回流區長度越小。

王建華［17］等應用分離渦模型數值計算了船體伴流，為后續學者進行肥大型船舶的尾部伴流場的研究提供了借鑒。陳浩［18］等開展了基于LES/RANS混合方法的數值模擬研究，在處理定態非定常的分離流動問題時，幾種模型計算結果差別不大，但是當處理非定態非定常的分離流動問題時，IDDES模型就會展示出巨大的優勢，所以在解決非定態非定常的分離流動問題時，數值計算應選擇IDDES類模型。馮世客［19］應用SST k-ω DES 模型進行數值模擬計算，分析得出會對建筑物周圍的流場產生劇烈影響的建筑物的形態特征。張文霞［20］開展了基于分離渦方法的風電機組尾流效應研究，探究了風速對無干擾尾流場的影響規律。王志勇［21］等應用ID?DES（改進的延遲分離渦模擬）模型，并結合滑移網格方法，對對轉槳和對轉舵槳的水動力性能進行了預報研究，驗證了采用IDDES模型進行數值模擬的可行性。王秀勇［22］等在進行核主泵水動力性能非定常特性分析時，選擇了分離渦模擬模型，并結合Q 準則捕捉了漩渦結構。龔杰［23］等應用DES（分離渦模擬）方法對設計工況下導管螺旋槳的尾流場和尾渦特性進行了數值模擬分析。劉佳豪［24］等對比了旋翼-機翼組合體懸停狀態下的IDDES 和RANS數值計算的結果，IDDES 數值計算的流場更為精細。胡曉峰［25］等應用IDDES（改進的延遲分離渦方法）數值模擬計算了深吃水半潛平臺的渦激運動，驗證了該計算方法的準確性。此外，胡曉峰［26］還采用IDDES（改進的延遲分離渦方法）數值模擬計算了在湍流邊界層分離下張力腿平臺的阻力特性。

2）其他數值模擬方法研究現狀

Saeed Abedi［27］等應用無附體SUBOFF 潛艇模型進行了數值模擬研究，探究了球鼻艏對潛艇繞流場渦量的影響情況，說明了數值計算方法的準確性。張楠［28］等將LES 和FW-H 相結合，對五種不同尺度的方形孔腔在水中的噪聲特性進行了數值計算并對結果進行分析，說明了該數值預報方法的準確性。宮偉力［29］等對LES（大渦模擬）理論的發展過程、基本理論及其發展現狀作了概述，并進行了示范講解，說明該理論模型對湍流精細流場有很強的數值模擬能力，可以解決工程實際的許多問題。Dakui Feng［30］等采用大渦模擬數值計算模型數值計算了雷諾數為2.65×107的SUBOFF 潛艇模型的流場，將仿真結果與試驗結果比對后得出數值仿真的結果與試驗結果十分吻合。張懷新［31］等采用RANS（雷諾平均方程）數值模擬了三種不同截面潛艇周圍粘性流場，通過對三種數值計算結果的比較，給出了三種方案各自的優缺點。吳方良［32］等采用RANS方法數值計算了全附體SUBOFF模型的三維流場，研究了潛艇指揮臺圍殼對潛艇水動力性能的影響，驗證了CFD計算方法的可行性。李亞林［33］等以SUBOFF 標準潛艇模型的圍殼為研究對象，應用LES 方法數值研究了指揮臺圍殼與艇體交接部位的流場繞流情況，并計算流激噪聲情況，其研究結果可為今后設計流動控制裝置、降低指揮臺圍殼部位產生的水動力噪聲提供一定的借鑒，也為新型指揮臺圍殼的設計制造打下了堅實基礎。Joseph J［34］等應用（Reynolds Averaged Navier-Stokes，RANS）模型對更先進的指揮臺圍殼形式進行了研究，并將數值計算結果與縮比模型試驗結果進行比對，結果證實了應用數值計算方法進行指揮臺圍殼的研究設計的可行性。姜宜辰［35］等采用數值計算方法探究了潛艇附體位置對水下航行體的伴流場影響，為優化潛艇附體的安裝位置提供理論支持。楊瓊方［36］等結合大渦模擬與聲學邊界元方法，數值預報了流噪聲在空間上的分布情況以及聲指向性等特性，得出了等效的聲中心位置并分析了其受螺旋槳旋轉作用的影響情況。曾文德［37］等進行了全附體潛艇的流噪聲數值模擬仿真計算，得到了特征點處的總聲級和聲場指向性的分布規律。黃勝［38］等對帶有螺旋槳的潛艇模型進行了流場及流噪聲的數值計算研究，結果說明了所采用的的計算模型能夠準確得出相應的結果。許影博［39］等采用大渦模擬和FW-H 相結合的數值仿真方法對翼型水動力噪聲進行了數值模擬研究，說明了數值計算的準確性。

3 潛艇PIV流場測試研究現狀

在PIV（Particle Image Velocimetry）技術快速發展的背景下，船舶與海洋工程領域內，有越來越多的學者在利用PIV 來進行相關的流場研究，主要的PIV 系統為岸基式PIV 和隨車式PIV。岸基式PIV測量系統多用于空泡水筒、循環水槽等試驗設備之中；隨車式PIV 測量系統則主要在船模拖曳水池中應用。在拖曳水池進行試驗時，船舶的航行姿態會發生變化，同時會有自由液面興波的產生，這樣的測量試驗會更加接近于真實的船舶航行狀態下的繞流場，但隨車式PIV 也有其弊端，那就是制造成本偏高，模型試驗的難度偏大。

圖1 試驗設備

陳虎［40］等在文獻綜述中詳盡介紹了國外流場的測試技術和可視化研究方法的發展現狀，概述了相關領域的研究進展，對艦船流場測量和可視化技術的關鍵技術進行了總結歸納，并對艦船流場測試技術和可視化技術未來可能的發展狀況進行了總結歸納。張軍［41］等介紹了PIV 技術的三個具體應用，展示了該系統的發展過程以及在船舶與海洋工程領域內的作用和未來前景。程明道［42］等介紹了國內隨車式PIV 測量系統的設備配置和第一次使用情況，采用水面艦船作為研究對象，獲得了一些有價值的數據，可以為我國需應用隨車式PIV 測量系統進行試驗的相關科研工作者積累了十分寶貴的經驗。張國平［43］等詳細描述了在中國船舶科學研究中心建立的第一套隨車式水下三維PIV 測試系統的構成以及各種測量模式，并通過開展試驗性的研究對該套PIV 測量系統進行了評估。張文照［44］等應用PIV 技術對潛艇尾流場和水動力噪聲的測量方法進行了研究。

F.Di Felice［45］等利用SPIV 技術在一個大型空化水槽中對帶有五葉螺旋槳的船舶模型進行了尾跡試驗探究，通過對螺旋槳旋轉過程和不同縱向位置尾跡及其演變過程的研究，表明立體PIV 技術在進行復雜流場研究試驗時具有較高的精度。

Francisco Pereira［46］等設計了一款獨特的、高度模塊化的、靈活的PIV 測量系統，并將其應用于實際測量中。該儀器適用于大型的試驗設備。

圖2 試驗及結果

F.Di Felice 和Francisco Pereira［47］一同總結了PIV技術在艦船流體力學中的發展與應用。

N.Bose［48］等利用SPIV（Stereo Particle Image Ve?locimetry）對導管推進器在不同推進系數情況下的尾流場水動力特性進行了研究。

Jie Gong［49］等利用PIV 技術測量了某采用泵噴推進的船模自航行試驗，測量了導管內的速度分布情況，試驗結果有助于后續相關研究的推進。

G.Aloisio［50］等對某船模在自由橫搖時的PIV測量試驗，給出了船舶模型在強迫橫搖運動中繞船速度場的試驗分析與總結。

圖3 空化水槽中螺旋槳PIV設置

圖4 試驗模型及布置

圖5 試驗設置圖

M.Falchi［51］等應用PIV 技術測量了雙體船在產生漂角過程中繞船速度場的分布情況，重點研究了漩渦的產生、分離、向下游演化等機理。

圖6 水下雷體實物圖

Chun-yu Guo［52］等采用PIV 技術對巴拿馬型散貨船的流場尾跡進行了試驗研究，在試驗中測量了弗勞德數為0.167情況下的螺旋槳盤面處的平均速度和瞬時速度、湍流特性和流場渦量信息等。

圖7 示意圖及結果圖

趙峰［53］等在中國船舶科學研究中心的中型拖曳水池中進行了PIV 測試，對五種不同的尾附體與回轉體的連接形式的模型進行了研究，給出了直觀定量的評估。

以上總結梳理了兩種指揮臺圍殼線型優化所涉及的方法，下面總結目前已有的指揮臺圍殼線型優化形式。

4 指揮臺圍殼線型優化研究現狀

Xihui Wang［54］等應用數值模擬技術研究了不同圍殼形狀時對潛艇水動力噪聲的影響。結果表明改變指揮臺圍殼前緣線型可以有效抑制潛艇水動力噪聲，可使聲壓級降低4.69dB。

呂鳴鶴［55］應用數值計算方法研究分析了不同指揮臺圍殼優化方案特性，將全附體SUBOFF 標準模型的指揮臺圍殼水平位置、高度及外形做優化后，綜合得出最優的指揮臺圍殼設計方案。

柏鐵朝［56］等對標準SUBOFF 潛艇模型的指揮臺圍殼進行了線型的優化，分別的得到了低矮化和兩種流線化指揮臺圍殼，應用數值計算方法模擬計算分別得到其水動力性能和表面壓力分布情況，得出低矮化和流線化后的指揮臺圍殼可以優化潛艇水平轉向時的橫傾角和縱傾角，為后續潛艇指揮臺圍殼的設計優化提供了一定借鑒意義。

圖8 圍殼線型圖

圖9 圍殼示意圖

許際波［57］等對指揮臺圍殼低頻流激噪聲進行了數值模擬研究，得出在潛艇的航速不同或者指揮臺圍殼結構不同時，所誘發的流激輻射噪聲會有差異，為工程實踐設計提供了一定的參考借鑒。張楠［58］等開展了潛艇指揮臺圍殼線型優化對抑制脈動壓力與流激噪聲的效果方面的數值模擬研究，對潛艇指揮臺圍殼進行了前緣加裝填角以及三維座艙型圍殼等優化，分別對原指揮臺圍殼和線型優化后的指揮臺圍殼進行了指揮臺圍殼部位渦量的分布特性和噪聲分布特性數值計算，分析結果表明線型優化后的指揮臺圍殼可以減小脈動壓力與流激噪聲的產生，可以很好地改善流動品質，可以為潛艇流聲耦合和未來潛艇的設計提供一定參考借鑒。三種線型圍殼示意圖如下。

圖10 不同線型指揮臺圍殼

圖11 不同指揮臺圍殼型線圖

杜波［59］等數值模擬了三種不同指揮臺圍殼外型對阻力、流場以及壓力等方面的影響，并說明了數值計算方法的可靠性。盛立［60］等在原SUBOFF潛艇模型基礎上，設計了四種指揮臺圍殼線型，分別進行仿真模擬研究，對仿真得出的四種指揮臺圍殼的軸向速度分布、指揮臺圍殼周圍漩渦分布、不同截面處的速度分布等進行了分析，結果表明斜壁式指揮臺圍殼設計可以改善槳盤面處的流場均勻性；指揮臺圍殼尖瘦的前緣線型能提高螺旋槳的伴流品質的同時，還可以降低阻力。四種指揮臺圍殼線型如下。

圖12 四種指揮臺圍殼線型

劉龍舉［61］等對SUBOFF 標準模型進行沙丘化改進后，開展了指揮臺圍殼阻力和尾部伴流等方面的數值模擬研究，針對沙丘型指揮臺圍殼的優化方案對潛艇阻力和尾部伴流等方面的影響進行了初步探索，為指揮臺圍殼的設計優化提供了新思路，王開春［62］等對尺度放大的SUBOFF 潛艇模型以及在SUBOFF 潛艇模型基礎之上進行指揮臺圍殼改進的三種潛艇模型進行了數值模擬研究，結果顯示將指揮臺圍殼后緣形狀從矩形變為梯形，可以改善指揮臺圍殼尾流品質，從而可以降低潛艇流激噪聲。四種不同指揮臺圍殼線型圖。

圖13 不同指揮臺圍殼線型圖

王志博［63］等將指揮臺圍殼分為兩段，通過改變進流段的線型而不變去流段的線型的方法，設計出三種新指揮臺圍殼方案，然后分別對其數值模擬得出的槳盤面速度情況、槳盤面處渦量分布等結果進行分析，表明光順過渡的前緣線型可以有效改善指揮臺圍殼的入流品質，優化指揮臺圍殼周圍渦量分布，進而有助于尾流的均勻性。

三種指揮臺圍殼圖如圖14。

圖14 三種指揮臺圍殼圖

5 結語

根據以上國內外研究現狀梳理可以發現：優化指揮臺圍殼線型有很多種途徑，如在指揮臺圍殼前端與艇體交接部位加裝填角、將指揮臺圍殼設計成三維座艙型、改變指揮臺圍殼的高度、改變指揮臺圍殼頂部線型、改變指揮臺圍殼前緣線型、改變指揮臺圍殼后緣線型等。

綜上得出存在如下兩個問題：

1）指揮臺圍殼相對厚度對水動力噪聲的影響

現有的有關指揮臺圍殼線型優化的研究雖然很多，但是關于指揮臺圍殼相對厚度對水動力噪聲的影響方面的研究幾乎處于空白狀態。

2）指揮臺圍殼相對厚度對潛艇流場結構的影響

雖然國內外利用PIV 技術進行潛艇流場結構的研究比較成熟，但是現有的有關指揮臺圍殼相對厚度對潛艇流場結構的影響幾乎處于空白狀態。

全文總結了有關指揮臺圍殼線型優化的發展現狀以及指揮臺圍殼線型優化研究方法等，目前研究指揮臺圍殼最主要的手段時利用CFD 進行數值模擬計算研究，在必要時還要輔以試驗手段，可以為研究指揮臺圍殼的學者提供參考借鑒。