潜艇尾部几何, 时均流场, 螺旋桨低频线谱噪声关系初步研究

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1、潜艇尾部几何、时均流场、螺旋桨低频线谱噪声关系初步研究姚惠之、沈泓萃、朱锡清（中国船舶科学研究中心，江苏无锡）摘要潜艇尾部流场由于受到艇体、指挥台围壳、尾附体的影响，表现为空间分布的不均匀性和时间上的不稳定性，这种空间和时间上的变化引起了运转其中的推进器的非定常力、瞬变空泡和噪声辐射。其中，螺旋桨低频线谱噪声除了与其自身几何密切相关外，还与上述前方来流有着密切的联系。作者针对对潜艇性能影响显著的潜艇尾部线型采用参数设计方法设计了系列模型，基于采用热线风速仪测量建立的流场数据库，分析了潜艇桨盘面处时均尾流特征，并通过计算，讨论了尾流对螺旋桨低频线谱噪声的影响。在此基础上，对潜艇尾部

2、几何、流场和螺旋桨低频线谱噪声的相关关系进行了初步探讨，为低噪潜艇尾型设计和进一步深化研究打下了一定基础。关键词：潜艇线型、系列设计、时均流场、螺旋桨线谱噪声、相关关系1引言潜艇几何线型是考虑建造工艺、任务使命等诸多因素后性能权衡优化的结果，其形状的演变留下各个时期对其具体要求的痕迹。当前，对潜艇安静性的要求不断提高，潜艇几何设计必然要适应于这一需要而发生一定的变化。从八十年代开始，较系统地进行了潜艇线型设计和综合优化的研究工作，并逐步形成了可以逼近现代潜艇线型的艇体几何生成、流场预报、螺旋桨噪声预报和水动力综合性能分析方法，为潜艇性能预报和水动力学综合研究打下了良好的基础。随着

3、对降噪要求的不断提高，潜艇的水动力几何外形又成为进一步挖潜的重点。由于当前潜艇是以水下航行为主的海上作战平台，因此其周围的水流对其各项水动力性能具有决定性影响。一条可行的途径是以流场为桥梁，将潜艇几何和相关的水动力性能结合起来开展研究。“2000——2035年美国海军技术”一书指出：“对于潜艇应着重发展隐身和构型等技术，它们都涉及外部水流的控制，目标是降低噪声、提高推进效率和艇的机动性以及降低水动力目标特征等。……外部水流的控制可以通过改变潜艇壳体及其附体的形状，将推进器与壳体及其周围的水流场组合在一起研究来达到目的”。由于潜艇尾部流场既是艇体和附加结构集合作用的结果，又是推进器

4、运转的具体环境，为此，基于潜艇尾流场系列模型测试数据库和螺旋桨低频线谱噪声计算方法，分析了潜艇桨盘面处时均流场的特征，讨论了尾流对螺旋桨低频线谱噪声的影响，初步探讨了潜艇尾部几何、时均流场特征和螺旋桨低频线谱噪声的关系，为低噪潜艇尾型设计和进一步深化研究打下了一定的基础。2潜艇尾流场系列试验模型的设计就潜艇尾流场研究而言，目前积累的数据相当有限，还无法据此得到关于尾流特征规律性的认识。因此，在研究中进行了潜艇尾流试验模型的系列设计。系列试验方案设计既关系到试验工作量的大小，又关系到后续试验结果的分析能否成功，是试验研究成败的关键之一。基于性能和流场有限信息的分析及利用数学分析方法

5、建立的艇体表达关系，首先进行了艇体几何参数的显著性分析，并通过包络分析和统计分析确定了因子的取值范围和水平，采用功效比大、信息全面的均匀设计方法进行了试验方案的编排，结合试验要求形成了包括十条模型的方案。设计结果见表1。其中，L/D为艇体长度直径比，Lrd、CPR、SR2分别为去流段（潜艇尾部）长径比、棱形系数和归一化斜率，L为艇模长度，LE、LP、LR分别为潜艇模型入流段长度、平行中体长度和去流段长度，αR为尾去流角。为了重点考察主体尾部线型的影响,本文采用了相同尺度的指挥台围壳,尾附体采用二元翼型。10表1系列模型几何参数及主要几何特征模型L/DLrdCPRSR2L(mm)L

6、E(mm)LR(mm)LP(mm)D(mm)αR(0)16.52.400.5786.7542001292.31550.81356.9646.228.4326.53.300.66011.0042001292.32132.3775.4646.226.6838.04.200.61413.37542001050.02205.0945.0525.023.5348.05.100.6166.0042001050.02677.5472.5525.013.5059.56.000.5485.884200884.22652.6663.2442.111.4269.52.400.65212.6242008

7、84.21061.12254.7442.136.51711.03.300.58412.504200763.61260.02176.4381.828.18811.04.200.5865.1254200763.61603.61832.7381.815.09912.55.100.5407.504200672.01713.61814.4336.015.031012.56.000.62211.754200672.02016.01512.0336.015.943尾流场特征分析为了获得关于尾流