葉昊,孟繁濤

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,上海 200011)

調(diào)查測量船舶安裝有各類聲學(xué)探測設(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行工作,其測量精度容易受到水下外界因素的影響,其中來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。目前國內(nèi)對于聲學(xué)設(shè)備安裝方式的研究主要集中在兩個方面: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)備安裝附體對船舶艉部推進器附近流場帶來的影響。事實上如采用突出船體的導(dǎo)流罩式或GONDOLA 式安裝方式,若設(shè)計方案不佳,不僅會增加船體阻力,還極有可能導(dǎo)致艉部流場紊亂,進而增加推進器產(chǎn)生的水下空泡噪聲。為此,以某大型測量船作為研究對象,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,并對該聲學(xué)設(shè)備安裝附體外形進行優(yōu)化,以期在保證良好氣泡性能的前提下達到減小附體阻力、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導(dǎo)致船舶吃水和阻力的增加,航行經(jīng)濟性好,缺點是聲學(xué)設(shè)備測量效果差、測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測量效果和精度的影響,但該影響尚無法完全摒除,會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測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,考慮到深遠海海道測量為某大型測量船的核心作業(yè)內(nèi)容,為充分保證大水深下良好的測量效果和測量精度,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確定,本船配置了波束角1°×0.5°的深水多波束(測深能力不小于10 000 m),同時配置了深水/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、水聽器等水下聲學(xué)設(shè)備。在設(shè)計過程中,根據(jù)每一項水聲設(shè)備對安裝環(huán)境的要求,完成了水聲設(shè)備在GONDOLA附體上的精細化布置,見圖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,總長約20 m,兩翼最大寬度8.8 m。GONDOLA附體在船底的相對位置及其外形見圖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翼形式,以達到減阻效果;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,附體突出船體的間距設(shè)為800 mm;通過設(shè)置3個掛臂來保持與船底的剛性固定連接,掛臂截面亦采用流線型機翼形式,以達到減阻效果;對GONDOLA本體和掛臂作結(jié)構(gòu)加強設(shè)計,以防在使用中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動;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

為驗證GONDOLA附體阻力情況,進行船模阻力試驗,含GONDOLA附體船模見圖3。

圖3 船體及GONDOLA附體模型

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

氣泡會吸收、反射、甚至阻隔聲學(xué)設(shè)備換能器對聲波的收發(fā),易造成測量誤差,甚至?xí)?dǎo)致測量失敗,有必要對聲學(xué)設(shè)備附近的氣泡進行監(jiān)測與控制。氣泡在流場中具有很強的隨動性特征,因此可采用流線監(jiān)測法對多波束氣泡性能進行初步分析[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,可通過模擬測量船艏部流向GONDOLA附體周邊區(qū)域的流線軌跡,來觀察這些流線是否流經(jīng)附體底部平面,以此來判定其是否受到氣泡的干擾。

運用數(shù)值分析軟件STARCMM+對GONDOLA附體的周邊流場進行初步的CFD模擬分析,考察工作航速8 kn時水下聲學(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GONDOLA時首部絕大部分水流從GONDOLA與船底的間隙中穿過(見圖4),且船底與GONDOLA中間表面無明顯的壓力梯度變化(見圖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)計航速狀態(tài)下的流線方向確定的,側(cè)推孔也未對船體周圍的流場方向產(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(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

根據(jù)上述船模阻力試驗和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)計要求,且通過CFD模擬的流線監(jiān)測情況可知該附體防氣泡性能較好。在設(shè)計階段,為盡可能地降低螺旋槳空泡噪聲,還需對螺旋槳的空泡性能進行預(yù)報和優(yōu)化。根據(jù)本船的設(shè)計要求,為使本船在測量作業(yè)時擁有較好的水下聲環(huán)境,以實現(xiàn)水下聲學(xué)設(shè)備高精準(zhǔn)度的測量性能,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,尚不確定其對尾部螺旋槳伴流場的影響。若引起尾部流場紊亂,將可能導(dǎo)致尾部螺旋槳空泡噪聲不達標(biāo),故還需評估GONDOLA附體對尾部螺旋槳伴流場的影響。為此,委托荷蘭MARIN 水池對本船進行槳模試驗,槳模外形見圖6。

圖6 全回轉(zhuǎn)螺旋槳槳模外形

由試驗結(jié)果可知,船體帶GONDOLA附體時,螺旋槳空化臨界航速約9 kn(見圖7),此時會產(chǎn)生梢渦空泡,空泡性能不佳,無法滿足設(shè)計要求。

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)計經(jīng)驗,改善螺旋槳空泡性能不佳的問題,可從兩個角度來考慮:①優(yōu)化螺旋槳設(shè)計參數(shù),②優(yōu)化尾部流場。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)計階段,已通過與相關(guān)推進器設(shè)備商合作,對螺旋槳設(shè)計參數(shù)進行了多輪優(yōu)化,如在此基礎(chǔ)上對螺旋槳作進一步優(yōu)化,其對空泡性能改善的空間并不大,如強制性通過改變槳葉數(shù)、槳葉直徑來適應(yīng)尾部流場,不僅效果有限,且此類較大幅度的改動還會影響螺旋槳推進效率,增加推進器設(shè)備成本,影響推進器設(shè)備交貨周期,得不償失。故需將工作重點放在對尾部流場的優(yōu)化上面。

為明確安裝GONDOLA附體是否會對尾部流場帶來影響,對不帶GONDOLA附體的船體也進行了槳?？张菰囼?。試驗結(jié)果顯示其空化臨界航速可達15～16 kn,能完全滿足設(shè)計要求。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,通過合理優(yōu)化GONDOLA附體來改善尾部流場,是本船提升螺旋槳空泡性能的關(guān)鍵措施。

基于該槳模試驗結(jié)果,利用CFD數(shù)值分析軟件對GONDOLA附體尾部的流線走向及尾部螺旋槳附近的流場作進一步分析。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,進入了螺旋槳區(qū)域。由此可判定受GONDOLA附體尾部受到干擾的流場是導(dǎo)致空泡問題的主要原因,故需對GONDOLA附體外形作進一步優(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)域的流場盡量均勻,其重點是解決GONDOLA附體尾部流場紊亂的問題。GONDOLA本體為流線型機翼形式,項目前期方案階段,已對該本體外形進行了多輪優(yōu)化,且對其尺寸和外形的修改調(diào)整還需考慮到對水下聲學(xué)設(shè)備布置空間的影響,故對本體外形尺寸的優(yōu)化手段有限,效果并不明顯。經(jīng)分析最終考慮從GONDOLA附體的掛臂著手進行優(yōu)化修改,優(yōu)化方案見圖9,將中間較長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)的擴散,從而減少對尾部流場的影響。

圖9 GONDOLA附體優(yōu)化前后外形對比

優(yōu)化前后的附體周邊流場對比見圖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)化前后周邊流場對比

同時,對不帶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)域伴流場進行了對比分析,見圖11。

圖11 3種情況尾部螺旋槳區(qū)域伴流流場對比

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

此外,運用CFD數(shù)值分析方法對GONDOLA附體優(yōu)化前后在12 kn航速時的船舶阻力進行分析對比,結(jié)果見表1。

表1 GONDOLA附體優(yōu)化前后的船舶阻力對比表

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一步降低,僅占總阻力的11.4%。由此可知,對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,對本船的阻力性能帶來了實質(zhì)性的好處。

為進一步驗證GONDOLA附體優(yōu)化方案對尾部伴流場帶來的積極效果,委托荷蘭MARIN 水池對本船進行第二次槳模試驗,優(yōu)化后尾部螺旋槳空泡特性曲線見圖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到15～16 kn, 滿足不小于12 kn的空化臨界航速設(shè)計要求,且基本達到了無GONDOLA附體時船舶的空泡性能。

3 結(jié)論

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

2)結(jié)合CFD數(shù)值分析,通過選取合理的GONDOLA式安裝附體外形,對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,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進一步降低,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,同時上述基于 CFD 的數(shù)值分析方法對于其他帶有水下附體船型的前期開發(fā)和工程應(yīng)用也具有一定的借鑒意義。