某大型測(cè)量船聲學(xué)設(shè)備安裝附體優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉昊,孟繁濤

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

調(diào)查測(cè)量船舶安裝有各類聲學(xué)探測(cè)設(shè)備,如單波束、多波束、聲學(xué)多普勒海流剖面儀、淺地層剖面儀等。這些聲學(xué)設(shè)備的換能器都需布置在水下進(jìn)行工作,其測(cè)量精度容易受到水下外界因素的影響,其中來(lái)自船體的干擾因素包括水下噪聲和船底氣泡。通常淺水多波束換能器尺寸較小,可以采用臨時(shí)布放或鰭板式布放,中、深水多波束尺寸較大,通常采用固定式安裝。目前常用的固定安裝型式有嵌入式、導(dǎo)流罩式和GONDOLA式(即吊裝式)等。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于聲學(xué)設(shè)備安裝方式的研究主要集中在兩個(gè)方面:①聲學(xué)設(shè)備安裝方式的防氣泡性能;②聲學(xué)設(shè)備安裝方式對(duì)船舶阻力產(chǎn)生的影響[1-3],都未考慮聲學(xué)設(shè)備安裝附體對(duì)船舶艉部推進(jìn)器附近流場(chǎng)帶來(lái)的影響。事實(shí)上如采用突出船體的導(dǎo)流罩式或GONDOLA 式安裝方式,若設(shè)計(jì)方案不佳,不僅會(huì)增加船體阻力,還極有可能導(dǎo)致艉部流場(chǎng)紊亂,進(jìn)而增加推進(jìn)器產(chǎn)生的水下空泡噪聲。為此,以某大型測(cè)量船作為研究對(duì)象,利用CFD數(shù)值分析方法考察GONDOLA 式的聲學(xué)設(shè)備安裝附體的氣泡性能,并對(duì)該聲學(xué)設(shè)備安裝附體外形進(jìn)行優(yōu)化,以期在保證良好氣泡性能的前提下達(dá)到減小附體阻力、改善艉部螺旋槳區(qū)域伴流的目的。

1 聲學(xué)設(shè)備安裝附體布置及外形方案的初步選取

已有研究表明,聲學(xué)設(shè)備嵌入式安裝形式不會(huì)導(dǎo)致船舶吃水和阻力的增加,航行經(jīng)濟(jì)性好,缺點(diǎn)是聲學(xué)設(shè)備測(cè)量效果差、測(cè)量精度受船底氣泡層的影響非常大;導(dǎo)流罩式聲學(xué)設(shè)備安裝方式雖可降低船底氣泡層對(duì)測(cè)量效果和精度的影響,但該影響尚無(wú)法完全摒除,會(huì)引起船舶阻力一定程度的增加(約為裸船體阻力的10%～15%);GONDOLA式聲學(xué)設(shè)備安裝方式可使船底氣泡層對(duì)測(cè)量精度的影響降至最低,但引起的船舶附體阻力也最大(約為裸船體阻力的20%),且突出的附體結(jié)構(gòu)對(duì)靠泊碼頭水深要求較高。

三種聲學(xué)設(shè)備安裝方式各有優(yōu)缺點(diǎn),考慮到深遠(yuǎn)海海道測(cè)量為某大型測(cè)量船的核心作業(yè)內(nèi)容,為充分保證大水深下良好的測(cè)量效果和測(cè)量精度,結(jié)合使用方作業(yè)需求和靠泊碼頭水深情況,初步明確GONDOLA該船水下聲學(xué)設(shè)備采用GONDOLA安裝方式。

本船GONDOLA附體尺寸根據(jù)聲學(xué)設(shè)備的布置空間需求來(lái)確定,本船配置了波束角1°×0.5°的深水多波束(測(cè)深能力不小于10 000 m),同時(shí)配置了深水/中淺水單波束、淺水/中水多波束、聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)、淺地層剖面儀、水聽(tīng)器等水下聲學(xué)設(shè)備。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,根據(jù)每一項(xiàng)水聲設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境的要求,完成了水聲設(shè)備在GONDOLA附體上的精細(xì)化布置,見(jiàn)圖1。為滿足水下聲學(xué)設(shè)備的布置空間需求,GONDOLA附體尺寸較大,總長(zhǎng)約20 m,兩翼最大寬度8.8 m。GONDOLA附體在船底的相對(duì)位置及其外形見(jiàn)圖2,為避免聲學(xué)設(shè)備受到水下噪聲及船底氣泡等影響,將該附體布置于船舶舯前的1/3船長(zhǎng)之前位置,最尾端距離首垂線約35 m;附體高700 mm,前端面和兩側(cè)端面的截面為半圓形,后端面截面為流線型機(jī)翼形式,以達(dá)到減阻效果;為使艏部帶氣泡的水流盡可能從附體與船底的間隙中穿過(guò),附體突出船體的間距設(shè)為800 mm;通過(guò)設(shè)置3個(gè)掛臂來(lái)保持與船底的剛性固定連接,掛臂截面亦采用流線型機(jī)翼形式,以達(dá)到減阻效果;對(duì)GONDOLA本體和掛臂作結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì),以防在使用中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng);GONDOLA首部中間垂直于船底面處設(shè)置斜鋼板,以防附體掛水草等水下雜物。

圖1 GONDOLA附體各類水聲設(shè)備布置示意

圖2 GONDOLA附體布置及外形示意

為驗(yàn)證GONDOLA附體阻力情況,進(jìn)行船模阻力試驗(yàn),含GONDOLA附體船模見(jiàn)圖3。

圖3 船體及GONDOLA附體模型

根據(jù)含附體阻力試驗(yàn)和不含附體阻力試驗(yàn)情況對(duì)比分析,可知本船GONDOLA附體阻力占比約15%,同時(shí)通過(guò)快速性計(jì)算可知,本船在設(shè)有GONDOLA附體的情況下其設(shè)計(jì)航速能滿足設(shè)計(jì)要求。本船設(shè)計(jì)排水量較大(約7 600 t),船舶總阻力較大,故附體阻力占比相對(duì)較小。

氣泡會(huì)吸收、反射、甚至阻隔聲學(xué)設(shè)備換能器對(duì)聲波的收發(fā),易造成測(cè)量誤差,甚至?xí)?dǎo)致測(cè)量失敗,有必要對(duì)聲學(xué)設(shè)備附近的氣泡進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。氣泡在流場(chǎng)中具有很強(qiáng)的隨動(dòng)性特征,因此可采用流線監(jiān)測(cè)法對(duì)多波束氣泡性能進(jìn)行初步分析[4]。船艏水線面處是水和空氣的交界面,氣泡主要是由船艏部水線處外界空氣被帶入到水流中發(fā)展形成的,可通過(guò)模擬測(cè)量船艏部流向GONDOLA附體周邊區(qū)域的流線軌跡,來(lái)觀察這些流線是否流經(jīng)附體底部平面,以此來(lái)判定其是否受到氣泡的干擾。

運(yùn)用數(shù)值分析軟件STARCMM+對(duì)GONDOLA附體的周邊流場(chǎng)進(jìn)行初步的CFD模擬分析,考察工作航速8 kn時(shí)水下聲學(xué)設(shè)備附近流線走向。由CFD分析結(jié)果可知,流線自船首走向下后方,在經(jīng)過(guò)GONDOLA時(shí)首部絕大部分水流從GONDOLA與船底的間隙中穿過(guò)(見(jiàn)圖4),且船底與GONDOLA中間表面無(wú)明顯的壓力梯度變化(見(jiàn)圖5),吸收水流的現(xiàn)象亦不明顯。另外,側(cè)推孔的布置位置是基于設(shè)計(jì)航速狀態(tài)下的流線方向確定的,側(cè)推孔也未對(duì)船體周圍的流場(chǎng)方向產(chǎn)生明顯干擾。以上分析結(jié)果表明,GONDOLA附體的導(dǎo)流效果和防氣泡性能較好。

圖4 首部船側(cè)及船底流場(chǎng)(V=8 kn)

圖5 首部船底表面壓力分布(V=8 kn)

2 GONDOLA式聲學(xué)設(shè)備安裝附體方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述船模阻力試驗(yàn)和CFD初步分析結(jié)果可知,本船采用GONDOLA附體方案船舶總阻力雖有所增加,其阻力增幅尚在可控范圍,航速能滿足設(shè)計(jì)要求,且通過(guò)CFD模擬的流線監(jiān)測(cè)情況可知該附體防氣泡性能較好。在設(shè)計(jì)階段,為盡可能地降低螺旋槳空泡噪聲,還需對(duì)螺旋槳的空泡性能進(jìn)行預(yù)報(bào)和優(yōu)化。根據(jù)本船的設(shè)計(jì)要求,為使本船在測(cè)量作業(yè)時(shí)擁有較好的水下聲環(huán)境,以實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)設(shè)備高精準(zhǔn)度的測(cè)量性能,螺旋槳空化臨界航速應(yīng)不小于12 kn。由于首部水流流經(jīng)GONDOLA附體后將流向尾部螺旋槳區(qū)域,尚不確定其對(duì)尾部螺旋槳伴流場(chǎng)的影響。若引起尾部流場(chǎng)紊亂,將可能導(dǎo)致尾部螺旋槳空泡噪聲不達(dá)標(biāo),故還需評(píng)估GONDOLA附體對(duì)尾部螺旋槳伴流場(chǎng)的影響。為此,委托荷蘭MARIN 水池對(duì)本船進(jìn)行槳模試驗(yàn),槳模外形見(jiàn)圖6。

圖6 全回轉(zhuǎn)螺旋槳槳模外形

由試驗(yàn)結(jié)果可知,船體帶GONDOLA附體時(shí),螺旋槳空化臨界航速約9 kn(見(jiàn)圖7),此時(shí)會(huì)產(chǎn)生梢渦空泡,空泡性能不佳,無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 帶GONDOLA附體(初步方案)的螺旋槳空泡特性曲線

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),改善螺旋槳空泡性能不佳的問(wèn)題,可從兩個(gè)角度來(lái)考慮:①優(yōu)化螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù),②優(yōu)化尾部流場(chǎng)。影響螺旋槳空泡性能的參數(shù)有很多,如螺距比、拱度比、盤面比、側(cè)斜、縱傾和槳葉剖面等[5]。本船采用全回轉(zhuǎn)5葉螺旋槳,在前期方案設(shè)計(jì)階段,已通過(guò)與相關(guān)推進(jìn)器設(shè)備商合作,對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了多輪優(yōu)化,如在此基礎(chǔ)上對(duì)螺旋槳作進(jìn)一步優(yōu)化,其對(duì)空泡性能改善的空間并不大,如強(qiáng)制性通過(guò)改變槳葉數(shù)、槳葉直徑來(lái)適應(yīng)尾部流場(chǎng),不僅效果有限,且此類較大幅度的改動(dòng)還會(huì)影響螺旋槳推進(jìn)效率,增加推進(jìn)器設(shè)備成本,影響推進(jìn)器設(shè)備交貨周期,得不償失。故需將工作重點(diǎn)放在對(duì)尾部流場(chǎng)的優(yōu)化上面。

為明確安裝GONDOLA附體是否會(huì)對(duì)尾部流場(chǎng)帶來(lái)影響,對(duì)不帶GONDOLA附體的船體也進(jìn)行了槳?？张菰囼?yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示其空化臨界航速可達(dá)15～16 kn,能完全滿足設(shè)計(jì)要求。由此可知,GONDOLA的設(shè)置是造成尾部螺旋槳空泡性能不佳的主要原因,通過(guò)合理優(yōu)化GONDOLA附體來(lái)改善尾部流場(chǎng),是本船提升螺旋槳空泡性能的關(guān)鍵措施。

基于該槳模試驗(yàn)結(jié)果,利用CFD數(shù)值分析軟件對(duì)GONDOLA附體尾部的流線走向及尾部螺旋槳附近的流場(chǎng)作進(jìn)一步分析。由圖8可知,在GONDOLA附體尾部中間區(qū)域,流向尾部的水流從該處附體表面分離,產(chǎn)生了大量的不規(guī)則逆流和漩渦。該區(qū)域的不規(guī)則逆流和漩渦與船體邊界層水流融合,并向下游移動(dòng),進(jìn)入了螺旋槳區(qū)域。由此可判定受GONDOLA附體尾部受到干擾的流場(chǎng)是導(dǎo)致空泡問(wèn)題的主要原因,故需對(duì)GONDOLA附體外形作進(jìn)一步優(yōu)化,以改善GONDOLA附體尾部的流線走向。

圖8 GONDOLA附體(初步方案)尾部的流線走向

GONDOLA附體外形優(yōu)化的目的主要是使得流向尾部螺旋槳區(qū)域的流場(chǎng)盡量均勻,其重點(diǎn)是解決GONDOLA附體尾部流場(chǎng)紊亂的問(wèn)題。GONDOLA本體為流線型機(jī)翼形式,項(xiàng)目前期方案階段,已對(duì)該本體外形進(jìn)行了多輪優(yōu)化,且對(duì)其尺寸和外形的修改調(diào)整還需考慮到對(duì)水下聲學(xué)設(shè)備布置空間的影響,故對(duì)本體外形尺寸的優(yōu)化手段有限,效果并不明顯。經(jīng)分析最終考慮從GONDOLA附體的掛臂著手進(jìn)行優(yōu)化修改,優(yōu)化方案見(jiàn)圖9,將中間較長(zhǎng)的掛臂尾端往后延伸約5 000 mm,以引導(dǎo)中間掛臂尾端水流順暢地流向船舶尾部,盡量避免產(chǎn)生附體尾部中間的低壓區(qū),從而減少該區(qū)域引起的逆流和漩渦;同時(shí)將兩側(cè)的小掛臂向外側(cè)偏轉(zhuǎn)約5°,以求大小掛臂之間流向尾部的水流更加平滑均勻,減少水流向兩側(cè)的擴(kuò)散,從而減少對(duì)尾部流場(chǎng)的影響。

圖9 GONDOLA附體優(yōu)化前后外形對(duì)比

優(yōu)化前后的附體周邊流場(chǎng)對(duì)比見(jiàn)圖10。由該圖可知,優(yōu)化前GONDOLA附體后端低壓區(qū)域明顯,該低壓區(qū)是產(chǎn)生不規(guī)則逆流和漩渦的直接原因,且附體后方的流線呈向兩側(cè)擴(kuò)散狀態(tài);優(yōu)化后附體后端低壓區(qū)域幾乎消失,且流線方向幾乎平行于附體中心線。

圖10 GONDOLA附體優(yōu)化前后周邊流場(chǎng)對(duì)比

同時(shí),對(duì)不帶GONDOLA附體的船體、帶GONDOLA附體(初步方案)的船體以及帶GONDOLA附體(優(yōu)化方案)的船體尾部螺旋槳區(qū)域伴流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析,見(jiàn)圖11。

圖11 3種情況尾部螺旋槳區(qū)域伴流流場(chǎng)對(duì)比

可見(jiàn)GONDOLA附體優(yōu)化后相比優(yōu)化前尾部螺旋槳區(qū)域伴流場(chǎng)更均勻,且與不帶GONDOLA附體的船體尾部伴流場(chǎng)極為相似?？梢?jiàn),GONDOLA附體優(yōu)化后對(duì)尾部螺旋槳區(qū)域伴流場(chǎng)的改善效果顯著。

此外,運(yùn)用CFD數(shù)值分析方法對(duì)GONDOLA附體優(yōu)化前后在12 kn航速時(shí)的船舶阻力進(jìn)行分析對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 GONDOLA附體優(yōu)化前后的船舶阻力對(duì)比表

由表1可知,GONDOLA附體優(yōu)化后裸船體阻力和GONDOLA附體阻力均有一定程度減少,優(yōu)化后總阻力阻力(153.2 kN)相比優(yōu)化前總阻力(163.8 kN)減少約6.5%,且GONDOLA附體阻力占船舶總阻力比值也進(jìn)一步降低,僅占總阻力的11.4%。由此可知,對(duì)GONDOLA附體合理優(yōu)化后附體后端低壓區(qū)域的消失有效降低了船舶阻力,對(duì)本船的阻力性能帶來(lái)了實(shí)質(zhì)性的好處。

為進(jìn)一步驗(yàn)證GONDOLA附體優(yōu)化方案對(duì)尾部伴流場(chǎng)帶來(lái)的積極效果,委托荷蘭MARIN 水池對(duì)本船進(jìn)行第二次槳模試驗(yàn),優(yōu)化后尾部螺旋槳空泡特性曲線見(jiàn)圖12。

圖12 GONDOLA附體優(yōu)化后的螺旋槳空泡特性曲線

由圖12可知,附體優(yōu)化后空化臨界航速達(dá)到15～16 kn, 滿足不小于12 kn的空化臨界航速設(shè)計(jì)要求,且基本達(dá)到了無(wú)GONDOLA附體時(shí)船舶的空泡性能。

3 結(jié)論

1)針對(duì)調(diào)查測(cè)量船聲學(xué)設(shè)備安裝方式的選取,除了要考慮其對(duì)防氣泡性能和船舶阻力性能的影響,還要關(guān)注其對(duì)尾部螺旋槳區(qū)域伴流場(chǎng)的影響。

2)結(jié)合CFD數(shù)值分析,通過(guò)選取合理的GONDOLA式安裝附體外形,對(duì)GONDOLA掛臂采取有效優(yōu)化措施,不僅能使得船舶具有良好的防氣泡性能,還可大幅改善尾部螺旋槳區(qū)域伴流場(chǎng),提高螺旋槳空化臨界速度,有效降低螺旋槳的水下空泡噪聲,從而為調(diào)查測(cè)量作業(yè)創(chuàng)造良好的水下聲學(xué)環(huán)境。

3)GONDOLA附體經(jīng)合理優(yōu)化后還能使其附體阻力和船舶總阻力均有一定程度減少,且GONDOLA附體阻力占船舶總阻力比值也會(huì)進(jìn)一步降低,從而有效提升船舶的阻力性能。

上述分析不僅可以為類似調(diào)查測(cè)量船舶聲學(xué)設(shè)備安裝方式的優(yōu)化選取提供參考,同時(shí)上述基于 CFD 的數(shù)值分析方法對(duì)于其他帶有水下附體船型的前期開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用也具有一定的借鑒意義。