田 雷，陳小星，朱張立

（杭州應用聲學研究所，杭州 310012）

0 引言

拖曳線列陣聲納作為水下遠程目標警戒和海洋環(huán)境勘測的最主要聲納之一，受到了廣泛關注。其探測性能提高的關鍵在于信噪比。由于拖曳線列陣聲納的聲基陣（拖線陣）在工作時由拖纜拖曳于平臺后方數(shù)百米處，因此可以遠離平臺噪聲干擾，其背景噪聲的主要組成部分是拖曳時產生的流噪聲。因此，研究拖線陣的流噪聲特性、提出針對性的降噪措施是提高拖曳線列陣聲納性能的重要課題，而目前拖線陣流噪聲的理論計算準確性還達不到指導工程實踐的要求，因此通過試驗對拖線陣流噪聲特性進行測量分析是一種有效的研究方法。拖線陣流噪聲試驗系統(tǒng)如圖1 所示。試驗系統(tǒng)由躉船、拖曳絞車、拖繩、拖曳試驗平臺（安裝接收陣流噪聲信息存儲分析設備）、拖纜段、接收陣、尾繩以及浮標組成。試驗時，關閉躉船上的水泵、空調，行車等所有噪聲影響大的設備，并對試驗水域內的環(huán)境噪聲進行監(jiān)測。用機動工作艇牽引尾繩將接收陣、試驗平臺等拖至距離躉船約1 000 m 處開闊水域。然后機動船停船，關閉發(fā)動機并釋放尾繩和浮標，在躉船上啟動拖曳絞車，并設定穩(wěn)定拖曳速度，當拖曳速度達到預設值并穩(wěn)定后開始流噪聲數(shù)據(jù)存儲。存儲完成后，由機動工作艇再次將接收陣和試驗平臺拖向遠處，開始新一輪試驗。

圖1 拖線陣流噪聲測試系統(tǒng)設備布置

在該試驗系統(tǒng)中，接收陣受到的干擾主要來自于拖曳試驗平臺產生的噪聲和尾流，因此，必須降低拖曳試驗平臺的噪聲和尾流影響。本文闡述了一種三體船形式的低噪聲拖曳試驗平臺的船型設計，水動力特性分析和噪聲場分析，驗證其尾流和噪聲特性符合拖線陣流噪聲試驗系統(tǒng)的要求。

1 船型參數(shù)

經方案論證，本拖曳試驗平臺采用三體船形式，主船體由3個片體組成，3個片體均呈細長型，能有效減小平臺在拖曳試驗過程中的興波阻力，三體船各片體的水線面形狀均呈梭形，可有效減小片體尾部的興波，改善船后部的噪聲特征。三體船的主體型線如圖2 所示，主要船型參數(shù)如表1所示。

圖2 主體橫剖型線圖

表1 三體船主尺度參數(shù)

2 水動力計算分析

2.1 模型簡化與網(wǎng)格劃分

本項目中所設計的三體船模型主要包括主體部分和上層建筑以及內部設施等，如圖3 所示。在進行水動力數(shù)值計算時，影響水動力性能的主要部分為三體船的水下部分以及水線上方一部分船體，故在具體的計算過程中將模型進行簡化處理，刪掉了上層建筑及一些對水動力性能影響較小的細節(jié)，并將三體船模型導入到數(shù)值計算軟件中，如圖4所示。

圖3 三體船主要布置（側前方視角）

圖4 三體船模型（簡化后）

通常來說，CFD 流場仿真計算的收斂和準確度很大程度上取決于網(wǎng)格劃分情況，尤其是當計算對象具有復雜的形狀時更是如此，因此網(wǎng)格劃分時要結合模型特點和計算需求進行綜合優(yōu)化。本文充分考慮了三體船所處的粘性流場的特點，加密了附面層、邊界層、自由液面以及船身首尾等部位的網(wǎng)格；考慮水深方向波動的極速衰減情況，對開爾文波形之外的網(wǎng)格和垂向網(wǎng)格采取了相對而言比較稀疏的劃分方式。

圖5（a）中是三體船中體首部位置附面層、湍流邊界層及附近流場的網(wǎng)格，靠近三體船中體外表面的網(wǎng)格采用棱柱層劃分方式，向外銜接到外層的切割體網(wǎng)格（Trimmed Mesh），其間網(wǎng)格尺寸的過渡應盡量平緩。該形式的網(wǎng)格組合可以在保證對邊界層內的流動進行準確模擬的前提下，盡可能減少對計算資源的消耗；圖5（a）的網(wǎng)格劃分用于描繪三體船航行時船身周圍的興波情況，為了減少計算過程產生的波衍射現(xiàn)象的影響，網(wǎng)格的劃分采用了由密集逐漸轉為稀疏，平緩過渡的形式。如圖6 所示，為準確呈現(xiàn)船首和船尾附近流場的波高，首尾部分的網(wǎng)格進行了加密處理。每個計算速度直接決定了網(wǎng)格加密的部位，因此布置了20 個網(wǎng)格點來對流場中的波高峰值進行捕獲。

圖5 船體網(wǎng)格劃分

圖6 船身及尾部流場加密

CFD 仿真計算所使用的計算域如圖7 所示，為了減少對計算資源的消耗，降低成本，計算域進行了如下設置：首先，根據(jù)三體船的對稱特性，計算域設置為對稱邊界的形式，對三體船的半寬進行計算，以減少運算量，提高計算速度；其次，前速度入口邊界到船首的距離為三體船中體水線長度LWL的1.5 倍，壓力出口邊界到船尾的距離為LWL的3.5 倍，側面寬度和底部深度均為LWL的1.5倍。消波波長設置為5 m以減少波反射的影響。

圖7 計算域

2.2 計算參數(shù)

本文在計算中應用了有限控制體模型：控制體的形狀不限，但其體積大小是有限的，且在空間上是固定的。其連續(xù)方程為：

該方程的微分形式則用來表征有限控制體流動模型的流體元：

本文采用有限體積法對偏微分方程進行離散化處理，該方法以有限差分法為基礎。其大致思路可以概括如下：對流動模型進行網(wǎng)格化處理，劃分為若干相互獨立的控制體積單元；在每一個獨立的控制體積單元內，進行微分方程的積分，形成與各控制體積單元一一對應的離散方程組。建立控制體積單元的離散方程組時，要點是通過對節(jié)點物理參數(shù)進行插值處理的形式解算得到控制體積界面上的物理參數(shù)和對應的導數(shù)，進行插值的方式也可以叫做離散格式。本次計算的離散格式選取如下：對流項采取二階迎風格式進行離散，耗散項的離散格式則選取為二階中心差分格式。

另外，為削弱預設的初始條件對均勻流動的不穩(wěn)定性影響，本次數(shù)值計算選定了VOF 模型，并將亞松弛因子設定為線性的；在計算所涉及的全部情形中，邊界層的厚度保持恒定，邊界層的層數(shù)也未發(fā)生變化，計算結果顯示，船體外壁面附近的Y+值峰值達到接近4.5，這一結果驗證了近壁面的有效性；計算過程中，三體船模型的橫蕩、縱蕩、艏搖、橫搖縱搖和垂蕩6 個自由度中，放開了后兩者，在此模式下，模型的運行時間為40 s。

本次數(shù)值計算中運用的計算模型以及部分其他相關參數(shù)如表2 所示，計算過程中的時間步長選定以及網(wǎng)格劃分尺寸等如表3所示。

表2 計算模型及相關參數(shù)

表3 時間步長及網(wǎng)格參數(shù)

2.3 計算結果分析

按照上述的網(wǎng)格劃分方案和相關計算參數(shù)進行數(shù)值計算，可得到三體船在相應航速下的流場細節(jié)，通過VOF 波形計算可準確捕捉到三體船在航行過程中船身周圍以及后方的興波情況，數(shù)值模擬結果如圖8 所示。由計算結果可看出，該三體船在低速（vs=3 m/s）時，與常規(guī)三體船相似，中體與側體之間呈現(xiàn)出強烈的興波干擾，但此時船體興波波高并不大，波高最大值也僅l5.7 cm。當航速較高時（vs= 6 m/s）時，該三體船的中體與片體之間興波干擾減弱，船體興波即主要以散波為主，且波幅較小，橫波很小且很快就消散了。當航速進一步提高（vs=9 m/s）時，該三體船的這種中、側體間的興波干擾作用更小，船體興波主要以散波為主，船體后方大部分范圍內的波高在l5 cm以內。當達到最高航速（vs=12.5 m/s）時，該三體船的船體興波中與散波相比，橫波基本可以忽略，尾流中大部分的波高在28 cm 以內，該船型呈現(xiàn)出的尾波特點也正是其水線面形狀為梭形的船型特征所決定的。

圖8 船身周圍波形圖

3 噪聲仿真計算分析

3.1 仿真計算方法

基于聲學有限元/無限元理論的ACTRAN 軟件是一款用于解決振動噪聲、氣動噪聲、流噪聲等問題的軟件。它通過對聲源結構和輻射聲場建立離散化模型，運用Lighthill 聲類比方法求解湍流流動區(qū)的流噪聲，通過采用聲學有限元的方法求解頻域上的波動方程得到近場聲壓分布，然后采用無限元方法對遠場進行離散化處理，求取指定位置的輻射噪聲。

解決聲學模擬計算與CFD 流場模擬計算的耦合問題，是將ACTRAN 軟件作為流噪聲模擬計算工具的基本前提條件。其基本思路是：將聲源面附近的一小塊流動區(qū)域選取成為發(fā)聲體，用Lighthill 聲類比法從CFD 模擬計算得到的計算對象流場中提取出噪聲源，進而模擬出計算對象不同航速下的輻射噪聲場分布。對于三體船湍流噪聲的計算而言，具體的實施程序如下所述：

（1）建立計三體船的計算模型，并進行網(wǎng)格劃分；

（2）運用CFD 計算軟件（Fluent），通過雷諾平均法、大渦模擬方法或直接模擬方法對模型進行非穩(wěn)態(tài)模擬計算，從而得到詳細的非定常流場分布信息；

（3）將通過CFD 計算得到的數(shù)據(jù)文件導入ACTRAN軟件的數(shù)據(jù)接口，并運用Lighthill 方程，從數(shù)據(jù)文件中的模型非定常流場湍流分布信息里提取出聲源的時域分布特征；

（4）對聲源進行DFT轉換，獲取相應的頻域分布信息；

（5）將聲源的頻域分布信息以積分法插入到模型表面和聲傳播區(qū)的聲學網(wǎng)格中；

（5）使用ACTRAN 軟件對聲場的聲壓分布和噪聲監(jiān)測點的聲學參數(shù)進行計算；

（6）運行ACTRAN 軟件后處理功能模塊，完善聲場分布信息，實現(xiàn)計算結果的可視化呈現(xiàn)。

在ACTRAN 計算中，聲學網(wǎng)格包含聲源面、聲源區(qū)及聲傳播區(qū)。聲源面即是發(fā)聲面，如本節(jié)即將計算的三體船外壁面；聲源區(qū)就是三體船表面周圍的一塊湍流流動區(qū)域，為表達流體的有限元；聲傳播區(qū)是包圍聲源區(qū)的一塊流體有限元區(qū)域。因此，聲傳播區(qū)的外邊界面就等同于聲學計算區(qū)域的外邊界面，這一邊界面也被設置為無限元邊界。聲源面在粘性流體中的運動形成湍流，湍流區(qū)邊界層分離和渦激振動產生聲波，即形成聲源區(qū)；聲波經由聲傳播區(qū)向遠處擴散，到達無限元邊界后，穿透邊界層繼續(xù)向遠處擴散，無限元邊界層對聲波的折射和反射為0，在無限元邊界之外，假定流場是均勻的，聲波可以到達無限遠處。無限元的使用不僅讓單元數(shù)量極大地減少了，而且能夠實現(xiàn)不限數(shù)量、不限距離的噪聲監(jiān)測點自由布置，以根據(jù)需求獲得任意位置的詳細聲場信息，卻只需要付出消耗極少量計算資源的代價。

按照圖9 所示湍流噪聲計算流程，需先計算得到模型的非定常流場準確信息。按照模型建立、網(wǎng)格劃分、流場計算以及結果處理的步驟開展。

圖9 湍流噪聲計算流程

3.2 幾何模型建立

此次計算主要關注三體船后方的噪聲，為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率，忽略上層建筑等細節(jié)信息。

圖10 船體幾何模型

3.3 計算域的建立

3.3.1 流體計算域建立

為了模擬三體船的航行狀態(tài)，計算域取為一個適當大小的長方體域，域的大小要盡量消除壁面效應影響，但又不能過大而使網(wǎng)格數(shù)目激增。本文計算域尺寸設置如下：入口處到船首的距離為三體船中體水線長度LWL的1 倍，出口處到船尾的距離為LWL的2 倍，左右兩側壁面到船舷的距離為LWL的1倍，底部邊界到船底的距離為LWL的1 倍，計算中只考慮模型水下部分，因此在建模計算過程中未考慮自由液面的影響，具體幾何模型如圖11所示。

圖11 流體計算域的選取

3.3.2 噪聲計算域建立

噪聲計算在船舶水動力性能計算基礎上開展，因此還需要建立一個更大的聲傳播區(qū)域，聲學計算域如圖12所示。

圖12 聲學計算區(qū)域

3.4 網(wǎng)格劃分

3.4.1 空化計算網(wǎng)格劃分

因該計算模型中忽略上建及自由液面，此次計算中采用全結構化網(wǎng)格。流場計算網(wǎng)格劃分如圖13～14所示。

圖13 流場計算全局網(wǎng)格

圖14 船體表面網(wǎng)格

3.4.2 噪聲計算網(wǎng)格劃分

聲學網(wǎng)格包含聲源面、聲源區(qū)及聲傳播區(qū)。聲源面即是發(fā)聲面，即船體的面網(wǎng)格，代表了偶極子聲源；聲源區(qū)就是船體表面周圍的一塊湍流流動區(qū)域，為體網(wǎng)格，代表了四極子聲源，且設定的聲源區(qū)范圍應包含于CFD計算中受船體影響到的流場范圍之內。

同建立流場計算網(wǎng)格相似，首先利用ICEM 建立船體輻射聲場的計算模型，船體表面之外取一層包圍船體的長方體域，該域所處的位置應在船體流場的有效影響范圍之內。

相較于流場大渦模擬方法計算，網(wǎng)格劃分質量對聲場計算的影響程度較小，為了在保證計算精確性的基礎上減少運算量，聲學網(wǎng)格尺寸的最低要求是使用6 個網(wǎng)格節(jié)點對每個波長進行捕捉。因此，對于船體聲場計算域模型，利用ICEM 進行非結構網(wǎng)格劃分即可，網(wǎng)格如圖15（a）所示。圖15（b）所示為船體面聲源網(wǎng)格。

圖15 聲傳播區(qū)非結構網(wǎng)格和船體聲學面網(wǎng)格

3.5 計算設置

水動力計算采用SIMPLEC 方法進行求解，壓力項采用標準方法離散，動量項采用二階迎風格式離散。船體及遠場外壁面均被定義為不可滑移壁面條件；進口設置為velocity-inlet ，出口設置為outf1ow 。噪聲計算需在Actran軟件中進行面聲源載荷和體聲源載荷的加載。

3.6 計算結果分析

噪聲監(jiān)測點布置如圖16所示，計算船體周圍噪聲的衰減特性。其中監(jiān)測點P1、P2、…、P6取在垂向高度為中體基線上，縱向距離三體船中體尾端的距離分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m 和1.8 m，表4給出了不同航速下各監(jiān)測點P處的聲壓級，通過該表可以看出，在船體基線高度上，航速越高，距離中體尾端越近，噪聲越大，最大聲壓為56.62 dB。為了分析噪聲沿X、Y和Z方向的衰減特性，設置各監(jiān)測點如圖16 所示，坐標原點取為中體的縱中剖面、通過中體尾端的橫剖面與通過中體基線下1.0 m的水平面之交點，相鄰監(jiān)測點之間隔均為1.0 m。圖17所示為航速vs=12 m/s 時，噪聲沿X、Y和Z方向的衰減曲線。圖中可以看出，噪聲沿X、Y和Z方向表現(xiàn)出了不同的噪聲衰減特性，其中沿X方向噪聲衰減緩慢，衰減幅度最小，這主要是由于船尾流的影響長度較長，沿X方向的流場變化復雜；沿Y方向噪聲衰減變化特點是靠近中體縱中剖面的前兩個監(jiān)測點聲壓差別不大，隨著遠離中體，聲壓迅速減小，這主要是由于三體船片體之間的相互干擾導致第二個監(jiān)測點的聲壓亦較大；沿Z方向的監(jiān)測點聲壓衰減曲線顯示，靠近中體基線的前兩個監(jiān)測點聲壓下降顯著，當監(jiān)測點距離中體基線超過2 m 以后，聲壓隨著與中體基線距離的增大繼續(xù)下降，但下降速度明顯減緩。此外，Y方向的監(jiān)測點聲壓大于相同縱向位置處的Z方向的聲壓，這主要是因為船舶興波對噪聲產生的影響。

圖16 噪聲監(jiān)測點的布置

表4 不同航速下各測點的聲壓值dB

圖17 船后噪聲沿X、Y和Z方向的衰減特性

4 結束語

本次數(shù)值計算分析的結果表明，該三體船形式的拖曳試驗平臺在工作航速范圍內（3～12.5 m/s）具有良好的尾流特性：船體興波主要以散波為主，船體后方大部分范圍內的波高在28 cm 以內。試驗平臺總體噪聲水平良好，在航速為12 m/s 時，后方最大聲壓為56.62 dB；平臺后方噪聲的衰減特性如下：噪聲沿Z方向衰減最快，Y方向次之，X方向噪聲衰減較慢；流噪聲試驗時，拖線陣位于試驗平臺后方（即X方向）約40 m，該方向6 m處噪聲即衰減至40 dB 以下，遠低于試驗水域環(huán)境噪聲（約58 dB）。

為保證該拖曳試驗平臺可應用于拖線陣流噪聲試驗并提高拖線陣流噪聲測量的準確性，后續(xù)還應通過縮比模型試驗和實船試驗對其尾流和噪聲特性開展進一步驗證。