潘龍德，崔立林，章文文，程果

(海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，湖北 武漢 430033)

0 引言

潛艇在水下航行時(shí)，發(fā)出的噪聲主要有3 個(gè)方面的來(lái)源，分別是機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲。其中，水動(dòng)力噪聲的典型特征是其噪聲總級(jí)正比于流體速度的5～7 次冪，在流體速度超過(guò)10 kn 時(shí)，其噪聲總級(jí)甚至與流體速度的10 次冪成正比[1]。隨著我國(guó)科研實(shí)力不斷增強(qiáng)，潛艇航行時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲得到有效的控制，意味著水動(dòng)力噪聲成為潛艇的主要噪聲源。已有的指揮臺(tái)圍殼設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素都是其對(duì)潛艇航行時(shí)產(chǎn)生的阻力以及操縱性能等方面的影響。隨著潛艇航速的提升，指揮臺(tái)圍殼部位產(chǎn)生的水動(dòng)力噪聲問(wèn)題逐漸引起關(guān)注。聚焦指揮臺(tái)圍殼產(chǎn)生的突出水動(dòng)力噪聲相關(guān)問(wèn)題，美國(guó)專門研究潛艇水動(dòng)力、噪聲和結(jié)構(gòu)的綜合研究單位——水面戰(zhàn)爭(zhēng)研究中心卡得洛克分部，曾經(jīng)專門提出有關(guān)先進(jìn)圍殼研發(fā)的項(xiàng)目（Advanced sail project），此項(xiàng)目在水動(dòng)力、復(fù)合材料技術(shù)、水動(dòng)力噪聲、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面全面的對(duì)潛艇指揮臺(tái)圍殼進(jìn)行詳細(xì)研究[2]。馬蹄渦是指揮臺(tái)圍殼主要噪聲源，指揮臺(tái)圍殼線型對(duì)馬蹄渦有顯著影響；此外，指揮臺(tái)圍殼線型對(duì)圍殼尾流也有顯著影響，進(jìn)而影響螺旋槳噪聲。改變指揮臺(tái)圍殼的相對(duì)厚度就是優(yōu)化指揮臺(tái)圍殼線型中的一種，相對(duì)厚度即最大寬度與弦長(zhǎng)比值。相對(duì)厚度較小的指揮臺(tái)圍殼通常稱之為“薄翼型”圍殼。

Xihui Wang等[3]應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)研究了不同指揮臺(tái)圍殼形狀對(duì)潛艇水動(dòng)力噪聲的影響。結(jié)果表明改變指揮臺(tái)圍殼前緣線型可以有效抑制潛艇水動(dòng)力噪聲，使聲壓級(jí)降低4.69 dB。張楠等[4]開(kāi)展了潛艇指揮臺(tái)圍殼線型優(yōu)化對(duì)抑制脈動(dòng)壓力與流激噪聲的效果方面的數(shù)值模擬研究，對(duì)潛艇指揮臺(tái)圍殼進(jìn)行了前緣加裝填角以及三維座艙型圍殼等優(yōu)化，分別對(duì)原指揮臺(tái)圍殼和線型優(yōu)化后的指揮臺(tái)圍殼進(jìn)行了指揮臺(tái)圍殼部位渦量的分布特性和噪聲分布特性數(shù)值計(jì)算，分析結(jié)果表明線型優(yōu)化后的指揮臺(tái)圍殼可以減小脈動(dòng)壓力與流激噪聲的產(chǎn)生，可以很好地改善流動(dòng)品質(zhì)，可以為潛艇流聲耦合和未來(lái)潛艇的設(shè)計(jì)提供一定參考借鑒。劉龍舉等[5]對(duì)SUBOFF 標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行沙丘化改進(jìn)后，開(kāi)展了指揮臺(tái)圍殼阻力和尾部伴流等方面的數(shù)值模擬研究，針對(duì)沙丘型指揮臺(tái)圍殼的優(yōu)化方案對(duì)潛艇阻力和尾部伴流等方面的影響進(jìn)行初步探索，為指揮臺(tái)圍殼的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供新思路，王志博等[6]將指揮臺(tái)圍殼分為兩段，通過(guò)改變進(jìn)流段的線型而不變?nèi)チ鞫蔚木€型的方法，設(shè)計(jì)出3 種新指揮臺(tái)圍殼方案，然后分別對(duì)其數(shù)值模擬得出的槳盤面速度情況、槳盤面處渦量分布等結(jié)果進(jìn)行分析，表明光順過(guò)渡的前緣線型可以有效改善指揮臺(tái)圍殼的入流品質(zhì)，優(yōu)化指揮臺(tái)圍殼周圍渦量分布，進(jìn)而有助于尾流的均勻性。

通過(guò)上述國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀來(lái)看，雖說(shuō)有大量學(xué)者利用數(shù)值模擬計(jì)算分析了潛艇指揮臺(tái)圍殼線型對(duì)潛艇流噪聲的影響，但是卻沒(méi)有人對(duì)潛艇指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度對(duì)潛艇繞流場(chǎng)和水動(dòng)力噪聲的影響進(jìn)行研究分析。指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度變化對(duì)潛艇繞流場(chǎng)和水動(dòng)力噪聲是否有影響尚不清楚；會(huì)有多大影響也不清楚，所以需要開(kāi)展相關(guān)研究。

1 數(shù)值方法

采用經(jīng)過(guò)改良的延時(shí)分離渦模擬（IDDES）模型，對(duì)計(jì)算域內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到潛艇指揮臺(tái)圍殼周圍流場(chǎng)渦量、槳盤面速度分布情況以及指揮臺(tái)圍殼根部特征點(diǎn)處脈動(dòng)壓力分布特性。

1.1 改良的延遲分離渦模擬（IDDES）

分離渦（detached-eddy simulation,DES）[7]方法是把雷諾平均方法（reynolds-averaged navier-stokes,RANS）與大渦模擬（large eddy simulation,LES）方法結(jié)合在一起的混合方法，經(jīng)過(guò)很多學(xué)者的應(yīng)用，已被證實(shí)是一種可靠、有效的仿真方法。DES 方法會(huì)根據(jù)距離壁面的遠(yuǎn)近程度來(lái)應(yīng)用不同的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，在距離壁面較近的位置使用RANS 進(jìn)行仿真計(jì)算，在遠(yuǎn)離壁面的分離區(qū)應(yīng)用LES 來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算。

改良的延遲分離渦方法（IDDES）是在DES 基礎(chǔ)上提出的一種改進(jìn)的方法。它把兩類RANS/LES 方法結(jié)合在一起來(lái)應(yīng)用，一類是延遲的分離渦方法（DDES），另一類為使用壁面函數(shù)的大渦模擬方法（WMLES），將兩類方法混合在一起，可以削弱DES 方法對(duì)網(wǎng)格劃分的依賴，同時(shí)還可以提高近壁面附近流場(chǎng)的求解精度[8]。

IDDES 中長(zhǎng)度尺度lIDDES表達(dá)式如下：

式中：下標(biāo)d和e分別為與延遲函數(shù)和上升函數(shù)相關(guān)的符號(hào)[9]，fd為延遲過(guò)渡函數(shù)，fd能避免LES 在邊界層內(nèi)進(jìn)行求解，從而解決了GID 問(wèn)題。fe為轉(zhuǎn)換函數(shù)，d為離壁面的最短距離，ψ 為低雷諾數(shù)修正函數(shù)，Cdes=0.65。公式詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

IDDES 提高了高雷諾數(shù)下大分離流動(dòng)的數(shù)值求解精度，一定程度上解決了DES 在應(yīng)對(duì)大分離流動(dòng)中所產(chǎn)生的模型應(yīng)力耗散和對(duì)數(shù)層不匹配的問(wèn)題[8]。

1.2 幾何模型

SUBOFF 潛艇模型是美國(guó)大衛(wèi)·泰勒研究中心（DTRC）用于檢驗(yàn)潛艇流場(chǎng)計(jì)算方法準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)模型，試驗(yàn)資料豐富。SUBOFF 模型總長(zhǎng)4.356 m；其首部長(zhǎng)為1.016，平行中體長(zhǎng)為2.229 m，尾部長(zhǎng)為1.111 m，中部最大直徑為0.508 m，指揮臺(tái)圍殼高0.206 m，長(zhǎng)0.368 m，最大厚度0.066 m[10]。幾何模型如圖1 所示。

圖1 全附體SUBOFF 幾何模型Fig.1 Fully attached SUBOFF geometric model

以SUBOFF 標(biāo)準(zhǔn)模型的指揮臺(tái)圍殼為母型，改變指揮臺(tái)圍殼最大寬度，得到不同指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度（最大寬度與弦長(zhǎng)比值）的潛艇模型。因?yàn)橹笓]臺(tái)圍殼鼻艏的變化對(duì)水動(dòng)力性能有很大影響，所以要在改變指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度時(shí)盡量不變指揮臺(tái)圍殼鼻首的線型，以此為依據(jù)，不變指揮臺(tái)圍殼艏部進(jìn)流段線型，在增加指揮臺(tái)圍殼最大寬度同時(shí)減少指揮臺(tái)圍殼平行中體長(zhǎng)度，直至平行中體長(zhǎng)度減小至0。經(jīng)過(guò)調(diào)研，指揮臺(tái)圍殼兩側(cè)都會(huì)存在自由空間，并且最大寬度的變化量都是微小的，所以指揮臺(tái)圍殼內(nèi)部的空間基本保持不變，也就不用考慮因指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度變化而導(dǎo)致的內(nèi)部圍封空間變化而引起的其他問(wèn)題。

不同圍殼的首部和尾部的長(zhǎng)度按如下公式定義：

Lfi和Lai是修正后的圍殼的首部和尾部的長(zhǎng)度，RLP是SUBOFF 潛艇模型圍殼平行中體長(zhǎng)度與除去平行中體后指揮臺(tái)圍殼剩余長(zhǎng)度的比值，ai是修正系數(shù)，Rwi相關(guān)寬度，即每個(gè)模型最大寬度值與圍殼長(zhǎng)度之比，i是對(duì)應(yīng)于不同圍殼方案的下標(biāo)，Rw0=0.18，Rw1=0.16，Rw2=0.20，Rw3=0.22，Rw4=0.24。W0為原模型最大寬度0.066 m。

根據(jù)由Grove et al 1989 提供的DARPA SUBOFF 指揮臺(tái)圍殼公式，修正后的指揮臺(tái)圍殼展向坐標(biāo)和指揮臺(tái)圍殼蓋坐標(biāo)可以被定義為：

Lt和y0分別是SUBOFF 潛艇圍殼的總長(zhǎng)度和最大半寬值，yfi，yai和yci分別是修正后的圍殼的首部展向坐標(biāo)、尾部展向坐標(biāo)和蓋坐標(biāo)，+代表右舷，?代表左舷，yi是修正后圍殼展向坐標(biāo)，它是由yfi和yai構(gòu)成，x是和圍殼導(dǎo)邊相關(guān)的順流方向坐標(biāo)，0 ≤x≤Lt，z是與軸對(duì)稱艇體的對(duì)稱軸相關(guān)的垂向坐標(biāo)，以上所有的參數(shù)單位都是m。

可以觀察到S4 的線型不能用以上公式進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)槠錄](méi)有平行中體，S4 的線型可以由S3 的結(jié)果乘以參數(shù)a4/a3來(lái)計(jì)算，也就是y4=

表1 為所要研究5 種不同相對(duì)厚度指揮臺(tái)圍殼具體參數(shù)。

表1 模型相對(duì)厚度參數(shù)Tab.1 Relative thickness parameters of model

圖2 為5 種不同相對(duì)厚度指揮臺(tái)圍殼示意圖。

圖2 不同相對(duì)厚度指揮臺(tái)圍殼示意圖Fig.2 Schematic diagram of sail with different relative thickness

1.3 計(jì)算域及邊界條件設(shè)置

計(jì)算域?yàn)閳A柱體，如圖3 所示，圓柱體長(zhǎng)為4 倍艇長(zhǎng)，圓柱直徑為10 倍最大艇直徑，進(jìn)流段長(zhǎng)度為1 倍艇長(zhǎng)，出流段長(zhǎng)度為2 倍艇長(zhǎng)。邊界條件定義為速度入口邊界條件，壓力出口邊界條件，外流場(chǎng)取為對(duì)稱面邊界條件，艇體表面為壁面無(wú)滑移邊界條件。利用商用軟件Fluent 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖3 計(jì)算域及邊界條件設(shè)置Fig.3 Calculation domain and boundary condition setting

1.4 網(wǎng)格生成

利用商用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD 進(jìn)行整體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖4 所示。用在SUBOFF艇體表面生成邊界層網(wǎng)格、在指揮臺(tái)圍殼部位進(jìn)行網(wǎng)格加密等方式來(lái)提高計(jì)算精度。為很好捕捉艇體表面，特別是圍殼周圍流場(chǎng)特性，艇體表面Y+取為30。

圖4 潛艇模型網(wǎng)格Fig.4 Submarine model grid

為消除因網(wǎng)格劃分不同而產(chǎn)生的對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。本文設(shè)置4 種不同單元數(shù)目的網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)目分別為637.8 萬(wàn)，904.6 萬(wàn)，1277.0 萬(wàn)，1832.0 萬(wàn)。數(shù)值模擬4 種網(wǎng)格劃分的潛艇航行阻力大小進(jìn)行對(duì)比，表2 為4 種網(wǎng)格數(shù)值計(jì)算結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可以看出4 種網(wǎng)格仿真計(jì)算的結(jié)果幾乎沒(méi)什么變化，這說(shuō)明四者都能夠精準(zhǔn)計(jì)算出阻力值，又考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，選擇網(wǎng)格數(shù)量較少的進(jìn)行數(shù)值計(jì)算比較理想，但是網(wǎng)格數(shù)量為637.8 萬(wàn)的方案在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)收斂性沒(méi)有其余三個(gè)網(wǎng)格方案理想，所以網(wǎng)格1 方案不是最佳的仿真計(jì)算方案，故選擇網(wǎng)格2 方案作為本課題仿真計(jì)算的網(wǎng)格方案。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence verification

1.5 可靠性分析

為驗(yàn)證本文中采用的數(shù)值模擬方法的可靠性，對(duì)SUBOFF 標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行數(shù)值模擬并與文獻(xiàn)[11]試驗(yàn)值進(jìn)行比較?？傋枇?shù)值計(jì)算值比試驗(yàn)值略大，誤差為1.66%，如表3 所示；摩擦阻力計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相比較，如表4 所示，誤差為1.71%；特征點(diǎn)（2.178，0，?2）處的總聲壓級(jí)為104 dB，與試驗(yàn)值101.3 dB 接近，如表5 所示，誤差為2.67%。

表3 總阻力數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值Tab.3 Numerical calculation value and test value of total resistance

表4 摩擦阻力數(shù)值計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)公式值Tab.4 Numerical value of friction resistance and empirical formula value

表5 總聲壓級(jí)數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值Tab.5 Numerical and experimental values of total sound pressure level

壓力系數(shù)Cp的計(jì)算公式如下：

其中：P為靜壓；P0為參考?jí)毫?；?為參考密度；ν0為參考速度。

圖5 為壓力系數(shù)Cp值的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果[12]的比對(duì)情況，可以看出二者結(jié)果吻合程度很高。通過(guò)上述對(duì)比分析，可見(jiàn)本文采用的數(shù)值模擬方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與試驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果十分接近，驗(yàn)證了本文計(jì)算方法的可靠性。

圖5 潛艇表面壓力系數(shù) Cp 值分布Fig.5 Distribution of surface pressure coefficient Cp of submarine

2 結(jié)果與討論

對(duì)5 種不同相對(duì)厚度的指揮臺(tái)圍殼進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬研究，分析指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度對(duì)潛艇繞流場(chǎng)和水動(dòng)力噪聲的影響。它們的計(jì)算條件相同，均為直航運(yùn)動(dòng)，航行速度均為3.05 m/s。

2.1 不同相對(duì)厚度指揮臺(tái)圍殼對(duì)流場(chǎng)渦量的影響

指揮臺(tái)圍殼周圍流場(chǎng)渦量包括馬蹄渦、梢渦、尾渦和片狀渦等[13]。其中馬蹄渦是圍殼繞流場(chǎng)中最為明顯的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)噪聲以及潛艇螺旋槳來(lái)流特性都有顯著影響。后處理軟件使用商用CFD-POST。圖6 為5 種不同相對(duì)厚度指揮臺(tái)圍殼仿真結(jié)果，利用Q 準(zhǔn)則得到指揮臺(tái)圍殼周圍的馬蹄渦分布情況和指揮臺(tái)圍殼后方馬蹄渦耗散情況，Q取為3.12×10?4。

圖6 指揮臺(tái)圍殼周圍渦量分布Fig.6 Vorticity distribution around the sail

可以看到，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)指揮臺(tái)圍殼時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的U 型渦結(jié)構(gòu)，這就是指揮臺(tái)圍殼周圍的明顯的馬蹄渦，馬蹄渦的形成是由于逆壓梯度的存在。當(dāng)邊界層流體遇到障礙物時(shí)，障礙物會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生阻礙作用，使流體速度減小，壓力增大，進(jìn)而產(chǎn)生下游壓力大上游壓力小的逆壓梯度，在逆壓梯度足夠大時(shí)流體就會(huì)向上游反向運(yùn)動(dòng)，來(lái)流與逆流之間相互作用，就形成了馬蹄渦。馬蹄渦不僅會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生侵蝕損壞的作用，還會(huì)產(chǎn)生噪聲。通過(guò)觀察可以看出，在指揮臺(tái)圍殼周圍的馬蹄渦“渦管”粗壯，在從指揮臺(tái)圍殼流向潛艇尾部時(shí)，“渦管”不斷細(xì)化，馬蹄渦強(qiáng)度逐漸減弱，“渦管”越粗壯，代表著馬蹄渦強(qiáng)度越大，其產(chǎn)生的噪聲也就越大。不同的指揮臺(tái)圍殼周圍的馬蹄渦強(qiáng)度不同，可以看出：圖6（a）～6（c），隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加，指揮臺(tái)圍殼周圍馬蹄渦的“渦管”變得越來(lái)越粗壯，在圍殼一周圍，只有指揮臺(tái)圍殼前緣有“渦管”的形成，隨著相對(duì)厚度的增加，“渦管”不斷向后延伸，在圍殼三周圍，“渦管”幾乎完整的包裹住了整個(gè)指揮臺(tái)圍殼，而6（d）指揮臺(tái)圍殼周圍的馬蹄渦與6（c）相比幾乎沒(méi)有什么變化。圖6（a）～6（d）的 “渦管”消失的位置離指揮臺(tái)圍殼的距離也隨著相對(duì)厚度的增加而不斷增大，圖6（e）中“渦管”消失的位置離指揮臺(tái)圍殼的距離有所減小，甚至比6（b）的距離還小。

通過(guò)觀察指揮臺(tái)圍殼后方渦量的分布情況可以看出，圍殼一后方的馬蹄渦在潛艇尾翼前方的位置處就已經(jīng)完全消失，恢復(fù)了正常的流場(chǎng)狀態(tài)，隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加，指揮臺(tái)圍殼后方的馬蹄渦向下游傳播距離不斷增大，在圍殼四后方的潛艇尾翼前方，馬蹄渦“渦管”依舊粗壯，馬蹄渦的強(qiáng)度依然很大，同時(shí)還伴有梢渦等其他種類渦的存在。圍殼五后方的潛艇尾翼前方馬蹄渦強(qiáng)度有所減小。而艇體尾部指揮臺(tái)圍殼正后方的流體凹陷的部位代表著馬蹄渦的沖擊作用，在圍殼一正后方的流體凹陷很微弱，在圍殼一到圍殼四對(duì)應(yīng)的尾部流場(chǎng)中，隨著相對(duì)厚度的增加，凹陷的程度不斷加深，圍殼五凹陷程度較圍殼四有所緩和。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，指揮臺(tái)圍殼周圍的馬蹄渦強(qiáng)度不是隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加而單調(diào)增強(qiáng)。圍殼一～圍殼三的計(jì)算結(jié)果表明指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度越大，指揮臺(tái)圍殼周圍的馬蹄渦強(qiáng)度也就越大，對(duì)潛艇表面的流場(chǎng)影響也就越大。繼續(xù)增加指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度，指揮臺(tái)圍殼周圍的馬蹄渦強(qiáng)度幾乎不再變化，對(duì)潛艇表面的流場(chǎng)影響會(huì)隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的繼續(xù)增加而減弱。故指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加對(duì)潛艇流場(chǎng)馬蹄渦的影響不是單調(diào)的，而是在一定范圍內(nèi)隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加，馬蹄渦會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，超過(guò)這個(gè)范圍，馬蹄渦的強(qiáng)度會(huì)隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加而減弱。

2.2 不同相對(duì)厚度指揮臺(tái)圍殼對(duì)槳盤面處速度場(chǎng)的影響

螺旋槳噪聲作為潛艇3 大噪聲源之一，槳盤面處的流動(dòng)情況會(huì)直接影響螺旋槳噪聲大小，槳盤面處的速度分布情況成為研究潛艇水動(dòng)力噪聲不可缺或缺的研究對(duì)象。槳盤面速度分布越均勻，代表著螺旋槳周圍的流體流動(dòng)越穩(wěn)定，越有利于降低潛艇噪聲。圖7為5 種不同指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度潛艇的仿真結(jié)果槳盤面處速度分布情況。

圖7 槳盤面處速度分布Fig.7 Velocity distribution at the surface of the propeller

通過(guò)對(duì)5 種不同相對(duì)厚度指揮臺(tái)圍殼槳盤面處的速度分布情況可以看出，除了指揮臺(tái)圍殼正后方，即截面的正上方中央處的速度等值線分布情況隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的改變而改變外，其余位置的速度等值線分布情況幾乎沒(méi)有變化。在圍殼一～圍殼四的4 個(gè)計(jì)算結(jié)果中，隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加，截面的正上方中央處的速度等值線分布均勻度逐漸降低，圍殼一對(duì)應(yīng)的速度等值線處是一條連續(xù)的等值線；圍殼二相應(yīng)位置出現(xiàn)2 條速度等值線；圍殼三相應(yīng)位置出現(xiàn)3 條速度等值線；圍殼四相應(yīng)位置的速度等值線分布情況更復(fù)雜，等值線的均勻度降低；圍殼五相應(yīng)位置的速度等值線分布比圍殼一的還要均勻，表明圍殼五槳盤面處的流場(chǎng)均勻度更好，更有利于降低潛艇的噪聲。

通過(guò)以上分析可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加，槳盤面處的速度等值線均勻度逐漸降低，流場(chǎng)分布也就更加不穩(wěn)定，當(dāng)指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度達(dá)到一定值后，槳盤面處的速度等值線均勻度隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的繼續(xù)增加而提升。所以說(shuō)指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度對(duì)潛艇槳盤面處流場(chǎng)影響并不是單一的。在一定范圍內(nèi)，減小指揮臺(tái)圍殼的相對(duì)厚度可以改善槳盤面處的速度均勻程度，使流場(chǎng)更加穩(wěn)定，有助于降低潛艇噪聲。超出這個(gè)范圍結(jié)論則相反。

2.3 不同相對(duì)厚度指揮臺(tái)圍殼對(duì)脈動(dòng)壓力的影響

分別在5 個(gè)潛艇計(jì)算模型的左側(cè)指揮臺(tái)圍殼與艇體交接部位布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行脈動(dòng)壓力大小結(jié)果的提取，測(cè)點(diǎn)位置如圖8 所示。

圖8 特征點(diǎn)分布Fig.8 Feature point distribution

5 個(gè)計(jì)算模型測(cè)點(diǎn)的x坐標(biāo)不變，根據(jù)潛艇指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的改變，特征點(diǎn)的y坐標(biāo)和z坐標(biāo)會(huì)隨之改變。將6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力提取結(jié)果經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換得到頻譜圖，最終選擇測(cè)點(diǎn)2 與測(cè)點(diǎn)4 進(jìn)行分析總結(jié)。5 種不同相對(duì)厚度的指揮臺(tái)圍殼測(cè)點(diǎn)2 與測(cè)點(diǎn)4 頻譜圖如圖9 所示。

圖9 特征點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻譜圖對(duì)比Fig.9 Comparison of sound pressure spectrum of feature points

由于水動(dòng)力噪聲易與結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生耦合，所以要重點(diǎn)關(guān)注水動(dòng)力噪聲的低頻特性，脈動(dòng)壓力又是水動(dòng)力噪聲的主要來(lái)源，故需重點(diǎn)關(guān)注脈動(dòng)壓力的低頻段特性。通過(guò)分析圖9 中測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)4 的100 Hz 以下的低頻段脈動(dòng)壓力的頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，在圍殼一、圍殼二、圍殼三中，隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加，低頻段的脈動(dòng)壓力也越來(lái)越大；繼續(xù)增大指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度，即圍殼四與圍殼五的低頻段的脈動(dòng)壓力越來(lái)越小，并且圍殼五低頻段脈動(dòng)壓力要小于圍殼四。在一定指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度范圍內(nèi)，隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加，低頻段的脈動(dòng)壓力也對(duì)應(yīng)跟著增大，但超出這個(gè)范圍，低頻段的脈動(dòng)壓力隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加而減小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用延時(shí)分離渦模擬（IDDES）模型，研究分析了不同指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度對(duì)潛艇繞流場(chǎng)和水動(dòng)力噪聲的影響，得出結(jié)論如下:

1）通過(guò)將仿真計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)SUBOFF 模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算阻力值與試驗(yàn)阻力值誤差僅為1.66%；摩擦阻力計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果誤差僅為1.71%；潛艇表面壓力系數(shù)Cp值分布的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合，有效驗(yàn)證了所選用的仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，說(shuō)明了仿真計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。

2）指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加對(duì)潛艇繞流場(chǎng)馬蹄渦的影響不是單調(diào)的。在一定范圍內(nèi)，減小指揮臺(tái)圍殼的相對(duì)厚度可以改善指揮臺(tái)圍殼周圍的馬蹄渦強(qiáng)度，可以減弱其對(duì)潛艇尾部流場(chǎng)的影響；超出這個(gè)范圍，結(jié)論則相反。

3）指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加對(duì)潛艇槳盤面處流場(chǎng)影響并不是單一的。在一定范圍內(nèi)，減小指揮臺(tái)圍殼的相對(duì)厚度可以改善槳盤面處的速度分布，使螺旋槳周圍流場(chǎng)分布更均勻，更穩(wěn)定；超出這個(gè)范圍，結(jié)論則相反。

4）在一定指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度范圍內(nèi)，隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加，低頻段的脈動(dòng)壓力也對(duì)應(yīng)跟著增大，但超出這個(gè)范圍，低頻段的脈動(dòng)壓力隨著指揮臺(tái)圍殼相對(duì)厚度的增加而減小。脈動(dòng)壓力是指揮臺(tái)圍殼部位水動(dòng)力噪聲的主要來(lái)源，即水動(dòng)力噪聲的變化規(guī)律與脈動(dòng)壓力的變化規(guī)律一致。