附體及尾操縱面對潛艇尾流場影響研究綜述

梁秋鳳，葉金銘，張 露

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

1 引言

隨著潛艇技術的不斷進步，對潛艇聲隱身性能優化與精細化設計已尤為重要。尾流場則與艇體線型及附體結構密切相關，研究潛艇流場特征對提高潛艇的機動性能、隱身性能有很大的幫助[1]。在螺旋槳工作部位，流場的不均勻性會導致螺旋槳葉頻離散輻射噪聲產生，在保證潛艇的操縱性和安全性的基礎上，潛艇的操縱面設計還要考慮潛艇尾流場的均勻性。潛艇在水下運動時，槳盤面進流速度的均勻性對螺旋槳運行時的推力、扭矩脈動、振動、空泡和噪聲都有影響。

2 研究潛艇尾流場常用的數值方法

學者們通過數值離散流場的方法，可以將復雜的潛艇流場問題轉化為數值離散模型并應用計算機程序進行求解。湍流的數值模擬方法分為直接數值模擬方法(DNS)和非直接數值模擬方法(雷諾平均方法(RANS)、大渦模擬(LES)、分離渦模擬方法(DES))。由于DNS方法對計算機要求較高，目前尚無用于真正意義上的工程計算。表1列出了非直接數值模擬方法RANS、LES、DES方法的優缺點以及適用情景。

表1 非直接數值模擬方法概覽

近年來計算流體力學(CFD)成為一種優良的輔助水池試驗的方法而并被廣泛采用。一方面，水池模型流場試驗結果為CFD方法提供了“校驗”數據；另一方面，CFD方法的引入，能夠提前對模型試驗結果進行預報，并用于解釋流場精細測量的一些爭議性問題。表2介紹了近20年來采用CFD方法對潛艇流場的研究情況。

表2 近20年CFD方法研究潛艇流場概覽

從表2可看出，近20年的研究中3種計算方法各有優點，在定性分析尾流場并將伴流場均勻度作為設計指標時，采用RANS方法性價比最高；若想捕獲流場細節，如空泡、尾流場的演化和漩渦引起的湍流動能擴散等，則需要采用對網格要求更高的LES或DES方法。

3 附體對潛艇尾流場的影響

全附體潛艇主要由艇體(Hull)、指揮臺圍殼(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繞流場的影響外，尾流場的研究也是目前學者們研究的重點，附體屬于小附件，在潛艇附體安裝處雷諾數往往比較小，其邊界層厚度與主艇體邊界層厚度存在較大的差別，導致主艇體與各附體之間相互干涉并產生復雜渦結構。因此有必要單獨研究附體對尾流場的影響，才能精確地分析尾流場的均勻性。

1)指揮臺圍殼對尾流場的影響

指揮臺圍殼作為潛艇上的最大附體，特別是在大舵角的情況下，指揮臺圍殼舵會對尾水平舵產生顯著影響[17]。有的潛艇指揮室圍殼產生的阻力增量占裸艇體總阻力的比例高達28%，指揮臺圍殼還會對潛艇尾流場的穩定性和均勻性產生影響，使得螺旋槳產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]計算了不同翼型、不同弦長、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，研究表明適當降低圍殼高度，增加圍殼厚度可以使尾流場更加均勻。Gorski[21]開展了新圍殼的設計研究，并進行了新型圍殼流場的風洞試驗測試。Rais-Rohani等[22]探索了采用復合材料的圍殼結構設計，但對新型圍殼的尾流場和接合部渦流特性關系進行分析的工作尚未開展。Toxopeus等[23]采用CFD方法研究典型的指揮臺圍殼和艇體連接處的馬蹄渦的結構，通過改變指揮臺圍殼的形狀和在指揮臺和艇體連接處的前端加一個光滑過渡的弧形填角(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品質。李新汶和張楠[2-3]驗證了尾翼填角對槳盤面入流的品質有改善，提出渦量分布評價流場的方法。王志博等[24]基于RANS方法采用SSTk-ω湍流模型分別計算三種新型圍殼潛艇尾流場，對接合部渦與圍殼尾流沿艇體的發展進行了分析，結果表明：光順過渡的前緣型圍殼改變了渦量在槳盤面處的分布，有助于改善尾流，有效地抑制了梢渦的發生。劉龍舉等[25]和盛立等[22]SUBOFF為模型，探索指揮臺圍殼線型優化規律，結果表明：沙丘化圍殼和斜壁式指揮臺圍殼可以降低槳盤面處軸向速度波動幅度，改善尾流場的均勻性。

2)尾舵對尾流場的影響

當潛艇在水下運動時，尾翼端面尾緣上方處會誘導產生附著渦蹄，同時，由于流動分離和重新附著作用，附體上頂端面會誘導產生旋渦；并且在馬蹄渦下游，附體葉根截面處進一步誘導產生“項鏈形”渦對。渦的產生必定會影響槳盤面處流場的均勻性，而槳盤面處伴流場不穩定時，螺旋槳的噪聲會較高，且會降低螺旋槳的推進效率。由于尾操縱面與螺旋槳的距離較近，因此對槳盤面處的流場產生極大的干擾，使螺旋槳旋轉時發生振動，造成水動力損失且螺旋槳噪聲增大[26-29]。杜度等[30]通過CFD軟件STAR-CCM+分析在多種工況下潛艇周圍流場的漩渦分布，計算結果表明在4個尾翼以及尾翼之間夾角處后方存在漩渦，漩渦的數量、形狀以及強度隨著漂角、流場均勻程度均發生變化。李艷等[31]改變潛艇尾翼的型式及布置位置，采用CFD方法對潛艇尾流進行模擬，得出“十”字舵以及“X”舵不同布局位置下的尾流場，舵翼位置前移有利于改善尾流場，全附體潛艇“X”舵尾操縱面有利于改善槳盤面處流場的不均勻性。柏鐵朝和盧錦國[31]在SUBOFF標準艇模的基礎上將穩定翼做了較大的修改，采用CFD方法，開展附體對潛艇阻力及尾部伴流場的影響分析，穩定翼導致潛艇粘壓阻力的顯著增加，同時也是造成槳盤面處伴流場不均性的主要原因。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品質，結果表明：共翼型舵能夠明顯地消減轉動舵與穩定翼結合部的渦流，可以提高舵后尾流低速區流體的速度；同時若減小局部等厚舵的最大厚度可以進一步改善尾流場，且舵力不受損。Lee等[34]研究了“十”字舵尾操縱面的尾流，發現“十”字舵尾翼產生3個同方向的渦系，翼尖的環流最強，其次是迎流翼面，最后是背流翼面。

3)螺旋槳對尾流場的影響

胡健和馬騁等[35]用數值計算方法分析了螺旋槳尾流場的分布規律，結果表明：進速系數越大，螺旋槳自身形狀對其誘導流場的影響越大；進速系數越小，螺旋槳轉速對其誘導速度影響越大。黃勝等[37]和劉高禹[38]采用CFD方法，對帶螺旋槳的潛艇流場進行了整體仿真計算，流場預報結果顯示，艇后流場的非均勻性導致螺旋槳表面的壓力分布出現非定常性，尾流場不均勻性是導致螺旋槳噪聲的主要原因。張菲[39]對帶槳與不帶槳的全附體SUBOFF的繞流場進行了計算，發現槳的加入會導致艇的渦量分布較為復雜，流場結構不穩定。Yu Chao[40]對潛艇螺旋槳在6種不同類型的導管中工作時尾流場和推力的變化規律，旨在在不影響潛艇速度的情況下，盡可能地降低噪聲。

根據以上學者的研究，可以得出以下結論：

① 潛艇尾流場是一個三維流場，在時間和空間上的結構都非常復雜，我們主要通過在槳盤面處軸向速度的周向分布以及渦的結構和強度來衡量潛艇尾流場品質的好壞。

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

③ 潛艇尾部有尾翼和推進器等裝置，是主艇體與尾附體流場相互干擾的重點區域，同時潛艇尾附體與主艇體之間的交互連接關系,直接影響了尾部流場的結構和螺旋槳盤面處的伴流分布，進而關系到潛艇尾流噪聲和水動力性能。

4 “十”字舵和“X”舵尾操縱面潛艇尾流場分析

伴流場的不均勻性乃是螺旋槳槳葉上不定常流現象的根源，在主艇體確定以后，尾操縱面直接影響潛艇尾流場的均勻性?，F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。為了進一步對比“十”字形尾操縱面布置和“X”形尾操縱面布置的尾流場特征，本文以SUBOFF潛艇為模型，通過商用軟件STAR-CCM+來進行數值模擬。

圖1表示“十”字舵和“X”舵槳盤面速度幅值等值線分布，可以看出SUBOFF“十”字舵尾操縱面槳盤面處速度等值線分布(b)與試驗值(a)很接近，說明數值計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，可以發現：靠近艇體表面小半徑內(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，說明此區域內的速度徑向波動較大，舵根處速度等值線曲度較大，說明此區域內速度周向波動較為明顯。在槳盤面大半徑處(r/R>0.5)，“十”字舵尾操縱面潛艇在指揮臺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，說明指揮臺圍殼與“十”字舵的上垂直舵翼在布局上對尾流場的干擾較大。

圖1 槳盤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重，可能原因是指揮臺圍殼處產生的渦耗散速度慢，延續到上垂直舵翼處，相當于2個附體疊加對槳盤面處的速度場進行干擾，“X”舵在周向布局上與指揮臺圍殼錯開，因此在此處速度波動幅度較小。圖3(a)和圖3(b)是槳盤面r=0.25R、0.35R處的軸向無量綱速度分布，圖中可以看出，2種尾操縱面舵翼后皆為高速區，這個高速區域是由于馬蹄渦將外半徑區域較高速度的流體帶到內半徑區域形成的。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%，此處尾流品質有明顯改善。

圖3(c)和圖3(d)是槳盤面r=0.5R、0.9R處的軸向無量綱速度分布，圖中可以看出，2種尾操縱面舵翼后皆為低速區，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種尾操縱面槳盤面處軸向速度不均勻度，當r/R=0.25～0.45時，“十”字舵尾操縱面潛艇槳盤面處軸向速度不均勻度系數明顯比“X”舵尾操縱面的軸向速度不均勻度系數大，當r/R=0.5～0.8時，“X”舵尾操縱面軸向速度的不均勻度系數比“十”字舵尾操縱面的大，這與圖3槳盤面軸向速度周向分布速圖一致。螺旋槳產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，則推力產生的主要區域在r/R=0.21～0.32，這一區域內的流場品質對螺旋槳的振動和噪聲最為顯著[34]。因此，可以得出以下結論，總體上，“X”舵尾操縱面潛艇槳盤面處流場品質優于“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與噪聲。

圖3 槳盤面軸向速度周向分布曲線

圖4 槳盤面處軸向速度分布曲線

5 結論

1)RANS、LES、DES三種方法都可以對潛艇尾流場進行分析，要根據研究的具體問題來選擇合適的方法。RANS方法對計算機性能和網格的要求較低，其計算的流場精確度不會太高，適用于定性分析；要想獲得精確的流場，如模擬渦的發展與演化、空泡、噪聲等，則需要采用對網格和計算機要求較高的LES或DES方法。

2)潛艇各附體對尾流場的影響區域不同，上層建筑(如指揮室圍殼，圍殼舵)產生的渦耗散慢，延續到槳盤面處，主要影響鍵盤面處軸向速度的周向均勻性；潛艇尾部有尾翼和推進器等裝置，潛艇的尾舵離螺旋槳的距離較近，直接影響著整個尾部流場的結構和螺旋槳盤面處的伴流分布，關系到潛艇尾流噪聲和水動力性能。

3)“十”字舵在周向上的布局與指揮臺圍殼有部分重合，對尾流場的干擾較大，而“X”舵的布局在周向上與指揮臺圍殼錯開，可以改善尾流品質，提高螺旋槳的推進效率。

4)采用線型優良的圍殼形式或者在圍殼根部加弧形的填角，或者在指揮臺圍殼處安消渦片，可減少次生流的強度，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+穩定翼的形式，在保持操縱性的基礎上，對不同正投影面積的“X”舵尾操縱面進行研究，探究“X”舵面積的變化對尾流場的影響。