張 恒 王仁智 蔡佑林 于存銀

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

噴水推進(jìn)利用推進(jìn)泵噴出的高速水流的反作用力來推動船舶航行，是與中高速艦船相匹配的一種新型高效推進(jìn)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。噴水推進(jìn)艦船在高速航行時(shí)，其噴口處于水面之上，產(chǎn)生的高速噴射流沖擊水面，造成復(fù)雜的氣液兩相流，破壞船體的船行波并產(chǎn)生飛濺，如下頁圖1 所示。此尾跡包含形、聲、光、電磁和熱等多種物理特征，暴露艦船的航行軌跡，在現(xiàn)代海戰(zhàn)中不利于隱身。

圖1 噴水推進(jìn)噴射流

艦船尾跡的相關(guān)研究大多基于軍事用途，因此國外有關(guān)文獻(xiàn)鮮有發(fā)表。從一些現(xiàn)有的報(bào)道和文獻(xiàn)可知，國外從二戰(zhàn)以來就對尾跡包含的諸多特征著手研究，主要包括尾跡的幾何特性、聲學(xué)特性、光學(xué)特性、溫度場、氣泡的形成與潰滅等。近年來，國內(nèi)也出現(xiàn)了一些船舶尾跡的相關(guān)研究。萬鵬程等運(yùn)用Fluent 軟件，引入空氣卷吸模型，模擬了氣泡尾跡，得出結(jié)果：航速對氣泡尾跡的幾何分布影響不大，但航速提高后，水下相應(yīng)點(diǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)會增大。樊書宏等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬尾跡的氣幕聲散射特性研究,并對艦船尾跡進(jìn)行了側(cè)向聲散射檢測試驗(yàn)，該方法可以持續(xù)、有效地檢測到目標(biāo)艦船的尾跡。吳云崗采用黏性流體理論分析法，對有限深流體中的船行波和船行窄尾跡形成進(jìn)行了較深入的研究，消除了黏性流體中船行波臨界邊的奇性。針對噴水推進(jìn)噴射流尾跡的研究，國內(nèi)外均未見報(bào)道。在飛機(jī)、火箭等裝備的強(qiáng)烈需求下，科研人員開展了大量空氣噴射流噪聲的理論和試驗(yàn)研究，但對于噴水推進(jìn)噴射流噪聲方面的研究與試驗(yàn)相對較少。現(xiàn)有的試驗(yàn)研究方法集中于水下淹沒射流方面（即在相同介質(zhì)中的射流），預(yù)報(bào)方法主要集中于聲比擬理論、Kirchhoff理論和渦聲理論等方法。

本文基于CFD 技術(shù)，研究系泊狀態(tài)下多浸沒深度噴水推進(jìn)船泵一體化的流場，分析并比較噴射流尾跡場流場及其噪聲特性，不僅發(fā)展了噴水推進(jìn)技術(shù)，更能為提升船舶尾跡隱身及聲隱身性能服務(wù)。

1 研究對象

本文研究對象為某噴水推進(jìn)高速艇。艇長約5 m 配備有單臺混流泵，噴口直徑為130 mm，如圖2 所示。為考察噴口浸沒狀態(tài)對噴射流尾跡場及其噪聲的影響，在系泊狀態(tài)下分析了4 種吃水深度，水線高度分別為0.15 m、0.2 m、0.3 m 和0.35 m，使噴口分別處于水面之上、半浸沒在水中以及完全浸沒在水面以下。其中水線高度0.2 m 時(shí)，噴口一半浸沒在水中，如圖3 所示。各狀態(tài)下推進(jìn)器轉(zhuǎn)速固定為500 r/min。

圖2 計(jì)算對象

圖3 不同吃水深度示意圖

2 數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程

本文采用RANS 方法來求解不可壓縮黏性流體流動，控制方程為雷諾平均連續(xù)性方程和N-S 方程：

式中：v、 v為時(shí)均速度分量；為時(shí)均壓力；為流體密度；為流體的運(yùn)動黏性系數(shù)。

本文采用兩方程SST-湍流模型來封閉該控制方程，近壁面運(yùn)用全+壁面處理方式。采用流體體積（Volume of Fluid，VOF）法來處理自由液面，即引入流體體積函數(shù)來跟蹤自由面的變化。

對連續(xù)性方程求偏導(dǎo)、對動量方程求散度，同時(shí)聯(lián)立可得

式中：為Kronecker 乘法運(yùn)算符；為聲速，m/s。

遠(yuǎn)方未受擾動的流體密度 0可設(shè)為常數(shù)，帶入流體的切應(yīng)力 τ，得到關(guān)于密度的波動方程：

Lighthill聲類比方程左端是聲波傳播項(xiàng)，右端是例如外部激勵或流動變化等的聲源項(xiàng)。該方程從連續(xù)性方程和N-S 方程中分離出聲源項(xiàng)，并可將流場結(jié)果作為已知條件對聲傳播項(xiàng)進(jìn)行求解。

2.2 計(jì)算域及邊界條件

本文采用商用軟件STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值求解。計(jì)算域所在坐標(biāo)系、各尺度和邊界條件如圖4所示。其中入口和計(jì)算域上下表面均為速度入口，由于計(jì)算系泊工況，故速度為0；出口為壓力出口；計(jì)算兩側(cè)均為周期面。船尾至出口面為5 倍船長，以讓尾跡充分發(fā)展。自由液面為靜水面，進(jìn)出口以及側(cè)面邊界加入VOF 波阻尼條件，以消除來自邊界的波反射。該計(jì)算域被分為3 個(gè)部分，其中葉輪部分為旋轉(zhuǎn)域，導(dǎo)葉體和船體部分為靜止域，采用滑移網(wǎng)格方法來模擬葉輪旋轉(zhuǎn)。

圖4 計(jì)算域

2.3 網(wǎng)格劃分及收斂性驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分仍基于STAR-CCM+進(jìn)行，由于葉輪和導(dǎo)葉體區(qū)域幾何形狀復(fù)雜，故采用適應(yīng)性較好的多面體網(wǎng)格來劃分；而流場外域幾何較為規(guī)整，故采用經(jīng)濟(jì)性更好的切割體網(wǎng)格來劃分。船體和推進(jìn)器壁面周圍均生成邊界層網(wǎng)格，自由液面附近、船尾部以及噴口網(wǎng)格局部加密，加密區(qū)域隨船舶吃水變化而變化，計(jì)算域網(wǎng)格及噴泵表面網(wǎng)格如下頁圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格示意圖

表1 網(wǎng)格收斂性計(jì)算結(jié)果

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 噴水推進(jìn)水動力性能

表2 給出了數(shù)值分析得到的不同吃水下深度下噴水推進(jìn)器的水動力性能參數(shù)。由表2 可知，隨著浸沒深度增加，噴泵流量逐漸變大，而揚(yáng)程略微變小，總的噴泵效率有所提升，完全浸沒噴射時(shí)效率比完全水面噴射效率提高約1%。而比較0.3 m 和0.35 m 水線高度可知，當(dāng)噴口完全浸沒在水下時(shí)，其效率幾乎無變化，即與浸沒深度無關(guān)。推進(jìn)泵效率提升的原因在于推進(jìn)泵運(yùn)行工況點(diǎn)的改變，即浸沒深度增加時(shí)，工況點(diǎn)往大流量偏移，較大流量處效率稍高。

表2 不同吃水狀態(tài)噴水推進(jìn)器性能

3.2 噴射流尾跡流場分析

流場中任意一點(diǎn)的速度在湍流狀態(tài)下是脈動的，因此，這里引入脈動速度相關(guān)參數(shù)湍動能來表征尾跡場特性，各水線下噴口后湍動能云圖如圖6 所示。從圖6 可以看到，水面噴射時(shí)，船后湍動能強(qiáng)度以及影響水體的范圍都要大于水下噴射，而流體的湍動能越高，意味著其湍動程度越大，水體因此擾動越劇烈，其能量耗散也越大。同樣，比較0.3 m水線和0.35 m水線，其尾跡場中湍動能變化區(qū)別不大，即完全浸沒時(shí)，能量耗散與浸沒深度關(guān)系不大。

圖6 不同吃水狀態(tài)尾跡場湍動能云圖

下頁圖7 為計(jì)算得到的波高等值線圖，從中可較清楚地觀察到尾跡波系形態(tài)。本文算例為系泊工況，船體保持靜止，因此無船體開爾文波系，只有噴水推進(jìn)噴射流產(chǎn)生的尾跡。可以看到，噴水推進(jìn)器高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了巨大沖擊力的水柱，在遠(yuǎn)方一定距離，由于水體張力擴(kuò)散而呈現(xiàn)與船體興波尾跡相反的“V 字形”，并且浸沒深度越深、擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)。該擴(kuò)散的噴射流尾跡應(yīng)該能夠在一定程度上抵消船體本身的尾跡，這也是后續(xù)研究的重點(diǎn)，極具科學(xué)理論與工程應(yīng)用價(jià)值。比較分析各工況尾跡場可見：隨著噴口浸沒深度增加，船尾后產(chǎn)生的射流波形明顯減弱；至0.35 m 水線時(shí)，船后約1 倍船長內(nèi)已無明顯尾跡，說明水下噴射能有效弱化尾跡。

圖7 不同吃水狀態(tài)自由液面波形

為了更加細(xì)致比較不同工況的噴射流尾跡波幅，提取船寬方向3 個(gè)典型截面=0 m（船體中縱剖面：推進(jìn)器軸線）、=1 m 和=3 m 處的波高，如下頁圖8 所示。在中縱剖面處，水面噴射時(shí)的尾跡波幅遠(yuǎn)大于水下噴射，而在離船身較遠(yuǎn)處則區(qū)別不大且波幅很小，=1 m 和=3 m 處不同深度的波幅相近。由此也說明噴射流主要影響噴口后方的流場，而對船兩側(cè)遠(yuǎn)處的流場影響較小。

圖8 縱向截面波高對比

3.3 噴射流尾跡噪聲研究

在不同浸沒狀態(tài)下流場計(jì)算的基礎(chǔ)上，開展噪聲分析，劃定船后方包裹尾跡的半圓柱體為體聲源，相同形狀、略大于體聲源的半圓柱體為傳播域，如下頁圖9 所示，其中噪聲計(jì)算域坐標(biāo)系與2.2節(jié)中數(shù)值計(jì)算域相同。傳播域向水下和艇后方的表面為無限元表面，根據(jù)算法模擬在遠(yuǎn)場的船舶噪聲以保證精度的前提下減少計(jì)算量。在船中縱剖面（=0）以及尾跡后方距離液面3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m，-90°~0°之間每15°為1 個(gè)相位，布置噪聲監(jiān)測點(diǎn)。聲學(xué)網(wǎng)格采用不同于流場網(wǎng)格的劃分方式，對體聲源和傳播域采用四面體網(wǎng)格劃分，單位網(wǎng)格長度小于所需預(yù)報(bào)頻率上限對應(yīng)波長的1/6 即可。

圖9 船后尾跡噪聲預(yù)報(bào)計(jì)算域和監(jiān)測點(diǎn)示意圖

本文對噴射流尾跡噪聲研究關(guān)注于0~1 000 Hz頻段內(nèi)每個(gè)工況=11 m 處觀測點(diǎn)的噪聲，如下頁圖10 所示。在預(yù)報(bào)頻段內(nèi)，噴射流尾跡噪聲頻譜曲線未見明顯衰減，各工況噪聲頻譜曲線低谷對應(yīng)頻率相近。觀察各工況沿著=-45°方向上的觀察點(diǎn)，噪聲聲源級隨著距離增加而降低，且降低速度隨著距離增加而減緩。對比=11 m 處各方向上噪聲總聲級，沿著水平液面方向的噪聲強(qiáng)度小于沿著深度方向的噪聲強(qiáng)度，表明噪聲沿水平液面方向上衰減更快。較低水線工況（0.15 m、0.2 m）噪聲總聲級小于較高水線工況（0.3 m、0.35 m），和水面噴射耗散較多能量的現(xiàn)象相符。對比兩個(gè)較高水線工況，0.35 m 水線工況總聲級略小于0.3 m 水線工況，表明在水下噴射時(shí)，增加浸沒深度可以減弱射流噪聲。

圖10 不同吃水狀態(tài)R=11 m 處各觀測點(diǎn)的噪聲聲級

4 結(jié) 論

本文基于STAR-CCM+軟件，結(jié)合RANS 方法，針對配置一臺混流式推進(jìn)泵的某高速艇，并通過改變吃水來調(diào)節(jié)噴水推進(jìn)噴口浸沒深度，研究噴口浸沒狀態(tài)對噴泵性能、噴射流尾跡及其噪聲的影響，在國內(nèi)首次建立了系泊狀態(tài)下船泵一體數(shù)值模擬方法，得到如下結(jié)論：

（1）隨著浸沒深度的增加，推進(jìn)泵運(yùn)行工況往大流量偏移，完全浸沒后，泵工況點(diǎn)不受浸沒深度影響。

（2）水下噴射能夠有效地弱化噴口后的尾跡形態(tài)，減小波幅，有力于提升船舶的綜合隱身性能。

（3）噴水推進(jìn)形成的噴射流尾跡有可能與船體自身的開爾文波系形成有利干涉，從而降低噴水推進(jìn)船舶的尾跡特征，具有重要的科學(xué)研究與工程應(yīng)用價(jià)值。

（4）不全浸沒時(shí)，噴射能量部分耗散在空氣中，故相較于全浸沒噴射，其水下輻射噪聲較??；全浸沒時(shí)，噴射流水下輻射隨浸沒深度增加而減小。