梁秋鳳，葉金銘，張 露

(1.海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，武漢 430033；2.92474部隊(duì)，海南 三亞 572018)

1 引言

隨著潛艇技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)潛艇聲隱身性能優(yōu)化與精細(xì)化設(shè)計(jì)已尤為重要。尾流場(chǎng)則與艇體線型及附體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，研究潛艇流場(chǎng)特征對(duì)提高潛艇的機(jī)動(dòng)性能、隱身性能有很大的幫助[1]。在螺旋槳工作部位，流場(chǎng)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致螺旋槳葉頻離散輻射噪聲產(chǎn)生，在保證潛艇的操縱性和安全性的基礎(chǔ)上，潛艇的操縱面設(shè)計(jì)還要考慮潛艇尾流場(chǎng)的均勻性。潛艇在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)，槳盤(pán)面進(jìn)流速度的均勻性對(duì)螺旋槳運(yùn)行時(shí)的推力、扭矩脈動(dòng)、振動(dòng)、空泡和噪聲都有影響。

2 研究潛艇尾流場(chǎng)常用的數(shù)值方法

學(xué)者們通過(guò)數(shù)值離散流場(chǎng)的方法，可以將復(fù)雜的潛艇流場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)值離散模型并應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行求解。湍流的數(shù)值模擬方法分為直接數(shù)值模擬方法(DNS)和非直接數(shù)值模擬方法(雷諾平均方法(RANS)、大渦模擬(LES)、分離渦模擬方法(DES))。由于DNS方法對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，目前尚無(wú)用于真正意義上的工程計(jì)算。表1列出了非直接數(shù)值模擬方法RANS、LES、DES方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用情景。

表1 非直接數(shù)值模擬方法概覽

近年來(lái)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)成為一種優(yōu)良的輔助水池試驗(yàn)的方法而并被廣泛采用。一方面，水池模型流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果為CFD方法提供了“校驗(yàn)”數(shù)據(jù)；另一方面，CFD方法的引入，能夠提前對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)，并用于解釋流場(chǎng)精細(xì)測(cè)量的一些爭(zhēng)議性問(wèn)題。表2介紹了近20年來(lái)采用CFD方法對(duì)潛艇流場(chǎng)的研究情況。

表2 近20年CFD方法研究潛艇流場(chǎng)概覽

從表2可看出，近20年的研究中3種計(jì)算方法各有優(yōu)點(diǎn)，在定性分析尾流場(chǎng)并將伴流場(chǎng)均勻度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，采用RANS方法性價(jià)比最高；若想捕獲流場(chǎng)細(xì)節(jié)，如空泡、尾流場(chǎng)的演化和漩渦引起的湍流動(dòng)能擴(kuò)散等，則需要采用對(duì)網(wǎng)格要求更高的LES或DES方法。

3 附體對(duì)潛艇尾流場(chǎng)的影響

全附體潛艇主要由艇體(Hull)、指揮臺(tái)圍殼(Sail)、尾翼(Stern)三部分組成，只考慮艇體部分的潛艇又稱為裸艇體(Bare Hull)[16]。除了主艇體和附體對(duì)繞流場(chǎng)的影響外，尾流場(chǎng)的研究也是目前學(xué)者們研究的重點(diǎn)，附體屬于小附件，在潛艇附體安裝處雷諾數(shù)往往比較小，其邊界層厚度與主艇體邊界層厚度存在較大的差別，導(dǎo)致主艇體與各附體之間相互干涉并產(chǎn)生復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)。因此有必要單獨(dú)研究附體對(duì)尾流場(chǎng)的影響，才能精確地分析尾流場(chǎng)的均勻性。

1)指揮臺(tái)圍殼對(duì)尾流場(chǎng)的影響

指揮臺(tái)圍殼作為潛艇上的最大附體，特別是在大舵角的情況下，指揮臺(tái)圍殼舵會(huì)對(duì)尾水平舵產(chǎn)生顯著影響[17]。有的潛艇指揮室圍殼產(chǎn)生的阻力增量占裸艇體總阻力的比例高達(dá)28%，指揮臺(tái)圍殼還會(huì)對(duì)潛艇尾流場(chǎng)的穩(wěn)定性和均勻性產(chǎn)生影響，使得螺旋槳產(chǎn)生較高的低頻離散噪聲、低頻寬帶噪聲[18]。劉祖源[19]以及黃振宇[20]計(jì)算了不同翼型、不同弦長(zhǎng)、以及不同高度的圍殼+主體，分析軸向速度的周向分布以及不均勻度系數(shù)，研究表明適當(dāng)降低圍殼高度，增加圍殼厚度可以使尾流場(chǎng)更加均勻。Gorski[21]開(kāi)展了新圍殼的設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了新型圍殼流場(chǎng)的風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試。Rais-Rohani等[22]探索了采用復(fù)合材料的圍殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但對(duì)新型圍殼的尾流場(chǎng)和接合部渦流特性關(guān)系進(jìn)行分析的工作尚未開(kāi)展。Toxopeus等[23]采用CFD方法研究典型的指揮臺(tái)圍殼和艇體連接處的馬蹄渦的結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變指揮臺(tái)圍殼的形狀和在指揮臺(tái)和艇體連接處的前端加一個(gè)光滑過(guò)渡的弧形填角(CUFF)可以抑制馬蹄渦的形成，從而減小額外的阻力以及改善尾流場(chǎng)品質(zhì)。李新汶和張楠[2-3]驗(yàn)證了尾翼填角對(duì)槳盤(pán)面入流的品質(zhì)有改善，提出渦量分布評(píng)價(jià)流場(chǎng)的方法。王志博等[24]基于RANS方法采用SSTk-ω湍流模型分別計(jì)算三種新型圍殼潛艇尾流場(chǎng)，對(duì)接合部渦與圍殼尾流沿艇體的發(fā)展進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：光順過(guò)渡的前緣型圍殼改變了渦量在槳盤(pán)面處的分布，有助于改善尾流，有效地抑制了梢渦的發(fā)生。劉龍舉等[25]和盛立等[22]SUBOFF為模型，探索指揮臺(tái)圍殼線型優(yōu)化規(guī)律，結(jié)果表明：沙丘化圍殼和斜壁式指揮臺(tái)圍殼可以降低槳盤(pán)面處軸向速度波動(dòng)幅度，改善尾流場(chǎng)的均勻性。

2)尾舵對(duì)尾流場(chǎng)的影響

當(dāng)潛艇在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)，尾翼端面尾緣上方處會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生附著渦蹄，同時(shí)，由于流動(dòng)分離和重新附著作用，附體上頂端面會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生旋渦；并且在馬蹄渦下游，附體葉根截面處進(jìn)一步誘導(dǎo)產(chǎn)生“項(xiàng)鏈形”渦對(duì)。渦的產(chǎn)生必定會(huì)影響槳盤(pán)面處流場(chǎng)的均勻性，而槳盤(pán)面處伴流場(chǎng)不穩(wěn)定時(shí)，螺旋槳的噪聲會(huì)較高，且會(huì)降低螺旋槳的推進(jìn)效率。由于尾操縱面與螺旋槳的距離較近，因此對(duì)槳盤(pán)面處的流場(chǎng)產(chǎn)生極大的干擾，使螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生振動(dòng)，造成水動(dòng)力損失且螺旋槳噪聲增大[26-29]。杜度等[30]通過(guò)CFD軟件STAR-CCM+分析在多種工況下潛艇周?chē)鲌?chǎng)的漩渦分布，計(jì)算結(jié)果表明在4個(gè)尾翼以及尾翼之間夾角處后方存在漩渦，漩渦的數(shù)量、形狀以及強(qiáng)度隨著漂角、流場(chǎng)均勻程度均發(fā)生變化。李艷等[31]改變潛艇尾翼的型式及布置位置，采用CFD方法對(duì)潛艇尾流進(jìn)行模擬，得出“十”字舵以及“X”舵不同布局位置下的尾流場(chǎng)，舵翼位置前移有利于改善尾流場(chǎng)，全附體潛艇“X”舵尾操縱面有利于改善槳盤(pán)面處流場(chǎng)的不均勻性。柏鐵朝和盧錦國(guó)[31]在SUBOFF標(biāo)準(zhǔn)艇模的基礎(chǔ)上將穩(wěn)定翼做了較大的修改，采用CFD方法，開(kāi)展附體對(duì)潛艇阻力及尾部伴流場(chǎng)的影響分析，穩(wěn)定翼導(dǎo)致潛艇粘壓阻力的顯著增加，同時(shí)也是造成槳盤(pán)面處伴流場(chǎng)不均性的主要原因。翟朔和劉志華[32-33]研究了共翼型舵和非共翼型舵2種方式的舵翼操縱面在艇體影響下尾流場(chǎng)品質(zhì)，結(jié)果表明：共翼型舵能夠明顯地消減轉(zhuǎn)動(dòng)舵與穩(wěn)定翼結(jié)合部的渦流，可以提高舵后尾流低速區(qū)流體的速度；同時(shí)若減小局部等厚舵的最大厚度可以進(jìn)一步改善尾流場(chǎng)，且舵力不受損。Lee等[34]研究了“十”字舵尾操縱面的尾流，發(fā)現(xiàn)“十”字舵尾翼產(chǎn)生3個(gè)同方向的渦系，翼尖的環(huán)流最強(qiáng)，其次是迎流翼面，最后是背流翼面。

3)螺旋槳對(duì)尾流場(chǎng)的影響

胡健和馬騁等[35]用數(shù)值計(jì)算方法分析了螺旋槳尾流場(chǎng)的分布規(guī)律，結(jié)果表明：進(jìn)速系數(shù)越大，螺旋槳自身形狀對(duì)其誘導(dǎo)流場(chǎng)的影響越大；進(jìn)速系數(shù)越小，螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)其誘導(dǎo)速度影響越大。黃勝等[37]和劉高禹[38]采用CFD方法，對(duì)帶螺旋槳的潛艇流場(chǎng)進(jìn)行了整體仿真計(jì)算，流場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，艇后流場(chǎng)的非均勻性導(dǎo)致螺旋槳表面的壓力分布出現(xiàn)非定常性，尾流場(chǎng)不均勻性是導(dǎo)致螺旋槳噪聲的主要原因。張菲[39]對(duì)帶槳與不帶槳的全附體SUBOFF的繞流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)槳的加入會(huì)導(dǎo)致艇的渦量分布較為復(fù)雜，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。Yu Chao[40]對(duì)潛艇螺旋槳在6種不同類(lèi)型的導(dǎo)管中工作時(shí)尾流場(chǎng)和推力的變化規(guī)律，旨在在不影響潛艇速度的情況下，盡可能地降低噪聲。

根據(jù)以上學(xué)者的研究，可以得出以下結(jié)論：

① 潛艇尾流場(chǎng)是一個(gè)三維流場(chǎng)，在時(shí)間和空間上的結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，我們主要通過(guò)在槳盤(pán)面處軸向速度的周向分布以及渦的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度來(lái)衡量潛艇尾流場(chǎng)品質(zhì)的好壞。

② 潛艇圍殼舵和指揮室的形狀與艇體的連接形式對(duì)潛艇上半部分尾流場(chǎng)有重要的影響，尤其是潛艇指揮室后半部分的線型對(duì)尾部伴流場(chǎng)的均勻性影響較大。

③ 潛艇尾部有尾翼和推進(jìn)器等裝置，是主艇體與尾附體流場(chǎng)相互干擾的重點(diǎn)區(qū)域，同時(shí)潛艇尾附體與主艇體之間的交互連接關(guān)系,直接影響了尾部流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和螺旋槳盤(pán)面處的伴流分布，進(jìn)而關(guān)系到潛艇尾流噪聲和水動(dòng)力性能。

4 “十”字舵和“X”舵尾操縱面潛艇尾流場(chǎng)分析

伴流場(chǎng)的不均勻性乃是螺旋槳槳葉上不定常流現(xiàn)象的根源，在主艇體確定以后，尾操縱面直接影響潛艇尾流場(chǎng)的均勻性。現(xiàn)代潛艇幾乎演變成清一色的單槳、椎體尖形尾。尾操縱面的形式以“十”字形和“X”形舵為主。為了進(jìn)一步對(duì)比“十”字形尾操縱面布置和“X”形尾操縱面布置的尾流場(chǎng)特征，本文以SUBOFF潛艇為模型，通過(guò)商用軟件STAR-CCM+來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖1表示“十”字舵和“X”舵槳盤(pán)面速度幅值等值線分布，可以看出SUBOFF“十”字舵尾操縱面槳盤(pán)面處速度等值線分布(b)與試驗(yàn)值(a)很接近，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算具有一定的可信度。比較2種尾操縱面形式的速度等值線，可以發(fā)現(xiàn)：靠近艇體表面小半徑內(nèi)(r/R≤0.5)，“十”字舵和“X”舵尾操縱面的速度等值線分布較密集，說(shuō)明此區(qū)域內(nèi)的速度徑向波動(dòng)較大，舵根處速度等值線曲度較大，說(shuō)明此區(qū)域內(nèi)速度周向波動(dòng)較為明顯。在槳盤(pán)面大半徑處(r/R>0.5)，“十”字舵尾操縱面潛艇在指揮臺(tái)圍殼后方速度等值線向外隆起明顯，而“X”舵尾操縱面此處速度等值線較曲度較為平緩，說(shuō)明指揮臺(tái)圍殼與“十”字舵的上垂直舵翼在布局上對(duì)尾流場(chǎng)的干擾較大。

圖1 槳盤(pán)面速度幅值等值線分布示意圖

圖2 周向角定義示意圖

從圖3可以看出，“十”字舵的上垂直舵處軸向速度突變嚴(yán)重，可能原因是指揮臺(tái)圍殼處產(chǎn)生的渦耗散速度慢，延續(xù)到上垂直舵翼處，相當(dāng)于2個(gè)附體疊加對(duì)槳盤(pán)面處的速度場(chǎng)進(jìn)行干擾，“X”舵在周向布局上與指揮臺(tái)圍殼錯(cuò)開(kāi)，因此在此處速度波動(dòng)幅度較小。圖3(a)和圖3(b)是槳盤(pán)面r=0.25R、0.35R處的軸向無(wú)量綱速度分布，圖中可以看出，2種尾操縱面舵翼后皆為高速區(qū)，這個(gè)高速區(qū)域是由于馬蹄渦將外半徑區(qū)域較高速度的流體帶到內(nèi)半徑區(qū)域形成的。在r=0.25R、0.35R處，“X”舵為操縱面峰值與谷值之差比“十”字舵尾操縱面減小約35%，此處尾流品質(zhì)有明顯改善。

圖3(c)和圖3(d)是槳盤(pán)面r=0.5R、0.9R處的軸向無(wú)量綱速度分布，圖中可以看出，2種尾操縱面舵翼后皆為低速區(qū)，在r/R=0.5處，“X”舵尾操縱面峰值與谷值之差比“十”字舵尾操縱面增大約15%，在r/R=0.9處，“X”舵尾操縱面峰值與谷值之差比“十”字舵尾操縱面減小約14%。圖4為“十”字舵和“X”舵2種尾操縱面槳盤(pán)面處軸向速度不均勻度，當(dāng)r/R=0.25～0.45時(shí)，“十”字舵尾操縱面潛艇槳盤(pán)面處軸向速度不均勻度系數(shù)明顯比“X”舵尾操縱面的軸向速度不均勻度系數(shù)大，當(dāng)r/R=0.5～0.8時(shí)，“X”舵尾操縱面軸向速度的不均勻度系數(shù)比“十”字舵尾操縱面的大，這與圖3槳盤(pán)面軸向速度周向分布速圖一致。螺旋槳產(chǎn)生推力的主要部分在0.5～0.8倍螺旋槳半徑處，一般螺旋槳半徑取0.4R，則推力產(chǎn)生的主要區(qū)域在r/R=0.21～0.32，這一區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)品質(zhì)對(duì)螺旋槳的振動(dòng)和噪聲最為顯著[34]。因此，可以得出以下結(jié)論，總體上，“X”舵尾操縱面潛艇槳盤(pán)面處流場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)于“十”字舵尾操縱面潛艇，更有利于減少螺旋槳的激振渦，從而降低螺旋槳振動(dòng)與噪聲。

圖3 槳盤(pán)面軸向速度周向分布曲線

圖4 槳盤(pán)面處軸向速度分布曲線

5 結(jié)論

1)RANS、LES、DES三種方法都可以對(duì)潛艇尾流場(chǎng)進(jìn)行分析，要根據(jù)研究的具體問(wèn)題來(lái)選擇合適的方法。RANS方法對(duì)計(jì)算機(jī)性能和網(wǎng)格的要求較低，其計(jì)算的流場(chǎng)精確度不會(huì)太高，適用于定性分析；要想獲得精確的流場(chǎng)，如模擬渦的發(fā)展與演化、空泡、噪聲等，則需要采用對(duì)網(wǎng)格和計(jì)算機(jī)要求較高的LES或DES方法。

2)潛艇各附體對(duì)尾流場(chǎng)的影響區(qū)域不同，上層建筑(如指揮室圍殼，圍殼舵)產(chǎn)生的渦耗散慢，延續(xù)到槳盤(pán)面處，主要影響鍵盤(pán)面處軸向速度的周向均勻性；潛艇尾部有尾翼和推進(jìn)器等裝置，潛艇的尾舵離螺旋槳的距離較近，直接影響著整個(gè)尾部流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和螺旋槳盤(pán)面處的伴流分布，關(guān)系到潛艇尾流噪聲和水動(dòng)力性能。

3)“十”字舵在周向上的布局與指揮臺(tái)圍殼有部分重合，對(duì)尾流場(chǎng)的干擾較大，而“X”舵的布局在周向上與指揮臺(tái)圍殼錯(cuò)開(kāi)，可以改善尾流品質(zhì)，提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

4)采用線型優(yōu)良的圍殼形式或者在圍殼根部加弧形的填角，或者在指揮臺(tái)圍殼處安消渦片，可減少次生流的強(qiáng)度，從而削弱指揮室后方渦的影響。

5)尾操縱面布局上，選用“X”舵、或者“X”舵+穩(wěn)定翼的形式，在保持操縱性的基礎(chǔ)上，對(duì)不同正投影面積的“X”舵尾操縱面進(jìn)行研究，探究“X”舵面積的變化對(duì)尾流場(chǎng)的影響。