声呐导流罩关键结构参数对航行阻力的影响

倪守隆,杜礼明，于德壮

(大连交通大学 辽宁省高等学校载运工具先进技术重点实验室，辽宁 大连 116028)

声呐导流罩关键结构参数对航行阻力的影响

倪守隆,杜礼明，于德壮

(大连交通大学 辽宁省高等学校载运工具先进技术重点实验室，辽宁 大连 116028)

摘要：外形轮廓和结构参数是决定声呐导流罩航行阻力与水声性能的主要因素，导流罩突出于船体的底部或首部，可以明显降低水流对声呐探测性能的影响，但其在一定程度上增大了航行阻力。本文通过数值方法研究导流罩的最大水面线长宽比和最大纵剖面宽高比等关键结构参数对某I型船航行阻力的影响。结果表明，声呐导流罩的长宽比为3.4~3.6及宽高比为1.1~1.2时，船航行时所受的阻力明显比加装其他比例的导流罩小，且其排水体积相对整个船的排水体积也较小，综合性能最佳。数值结果与相关的实验数据吻合较好。

关键词：声呐导流罩；结构参数；航行阻力；数值模拟

0引言

现代大、中型水面舰艇艇舷底部大多配置了综合声呐设备。舰艇或潜艇在航行或停泊状态时，均有较大的水流从声呐传感器表面流过。为提高声呐的信噪比和探测能力，就要避免界层分离，以免产生漩涡噪音而影响声呐的使用效果[1-2]。另外，当船舶航行时，由于其压力分布不均匀，导致导流罩表面会形成脉动压力，在一定程度上增大了航行阻力[3]。也就是说，除了声呐设备本身外，声呐性能和航行阻力是决定声呐导流罩外形结构及其空间的主要参数，而声呐性能和航行阻力对导流罩外形的要求一致[3]。因此，研究导流罩外形的结构参数对船舶航行阻力的影响，对提高声呐探测性能和降低航行阻力有重要意义。

由于舰船航行时，导流罩处流场十分复杂，形成多种行进阻力。利用传统试验方法(如船模阻力实验、流线实验及实船实验)分析导流罩对船体航行时的阻力影响，分析难度高、耗费大、周期长且准确度差。而采用数值模拟方法，则成本低、速度快、且可以模拟真实条件和理想条件，在各领域越来越受到重视[4]。

文献[5]通过数值方法研究了5种导流罩外形结构外形对航行阻力的影响，结果表明导流罩外形为头部流线型、尾部半圆型的综合性能最佳。在该文研究基础上，本文研究导流罩的最大水面线长宽比和最大纵剖面宽高比等关键结构参数对船航行阻力的影响，从而得到航行阻力最小的导流罩外形结构参数，为声呐导流罩的优化设计提供参考。

1计算模型与网格

1.1　计算模型

本文研究的是某I型海监船安装不同结构尺寸的导流罩后在水中的航行情况。模拟工况为满载出港排水量，海况小于2级，风力小于蒲氏3级，主机转速为1 000 r/min时，最大试航航速为16 kn，经济航速为14 kn。按照设计思路，导流罩安装在该船69~75#肋骨之间的船底下，与船纵向中心面重合，大头朝舰首方向，原始导流罩外形轮廓尺寸为2.52 m×1.22 m×1 m，重量为2 500 kg，如图1所示。由于本文主要研究声呐导流罩外形结构参数对船舶航行阻力的影响，为简化起见，建模时只考虑船体吃水线以下部分，而对船体的其他结构不做研究，并忽略导流罩对兴波阻力的影响。

图1　船体吃水线以下部分Fig.1　The part of ship under waterline

图2　声呐导流罩三维模型Fig.2　Model of sonar dome

在导流罩性能最优外形轮廓确定[5]及满足安装声呐设备的条件下，导流罩的阻力性能与声呐水声性能主要取决于图2 所示的关键结构参数及其之间的比例关系，即最大水面线长宽比(导流罩与船体接触面的水面线最大长度l与最大宽度t的之比, 即l/t值)及导流罩最大纵剖面宽度t与高度h之比(即t/h值)[3]。下面针对导流罩外轮廓的这2个关键结构参数开展研究，分析其对航行阻力的影响。

1.2　网格划分

流场边界采用长方体类型，将流场划分为4个区域，其中区域2是包含船体在内的动区域，其区域范围随船的运动而不断变化。由于船及导流罩处外形比较复杂，对此区域进行混合网格划分，生成非结构化网格。其他3个计算区域形状规则，划分为六面体网格。计算域的网格划分如图3所示。

图3　计算域的完整网格Fig.3　The full mesh of the computational domain

1.3　数值方法与边界条件

根据该船的航行速度可以认为，船体附近的流体处于湍流状态，且是不可压缩流体，遵守湍流输运方程[6]，湍流模型采用标准k-ε模型。船在航行时涉及到空气和海水这两相，采用VOF(Volume of Fluid)多相流模型对其航行进行模拟。PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法用于速度和压力间的耦合计算。在数值离散方面，采用二阶迎风格式以提高计算精度。航行中的船舶周围流场可以视为动态变化的流场，船体表面即为运动的流场边界，可以使用动网格模型对船舶航行时其周围流场进行模拟研究[7]。本文采用动网格技术中的动态层和局部网格重划模型来模拟船的航行过程。

边界条件的设定：出口采用压力出口边界条件，设置出口边界的静压为0，即出口处压力为标准大气压；船体表面采用无滑移边界条件，即给定法向速度Vn=0。

2计算结果与分析

原始导流罩外形轮廓只考虑到容纳声呐设备的基本尺寸，并未考虑如何提高声呐性能和降低航行阻力。以下在满足导流罩收纳声呐设备的基本要求条件下，研究导流罩的长宽比和宽高比与降低航行阻力的关系。

2.1　导流罩的水面线长宽比对航行阻力影响

参考文献[3]，假定高度h=0.25l(即长高比为4.0时导流罩性能最优)，在此基础上设置在长宽比l/t=2.0~5.0之间的14种导流罩进行分析，各方案的结构尺寸如表1所示。

对以上14种方案，分别模拟分析某I型船在经济航速14 kn和最大试航速度16 kn时所受的阻力情况。由于加装同一尺寸导流罩的船在不同航速下所受阻力的特征完全相同，只不过航速大时阻力特征表现更为明显，因此本文仅介绍最大试航速度16 kn时船所受的阻力情况。

以导流罩水面线长宽比为3.0时的模拟结果为例，分析船体与导流罩所受阻力情况。图4和图5是船航行时船体周围、船底以及导流罩附近的压力云图。从图中可看出，船体压力从上往下逐渐增大，这与水压相对应。船舶航行时船的头部对水体有压缩作用，导致船首处压力高于船体其余同一水平位置处的压力。由于船的航行而使船

图4　船速为16 kn时船体所受的压力Fig.4　Pressure distribution of the ship at the speed of 16 kn

图5　船速为16 kn时导流罩附近压力Fig.5　Pressure distribution around sonar dome profile at　the speed of 16 kn

尾处产生一定的负压，同时还伴随有漩涡的产生。正是由于船体首尾的这种正负压力差形成了船航行时的阻力。图5为导流罩周围所受压力，从图可以看出，船航行时导流罩前部同样对水有压缩作用，使该部位的压力明显升高，而导流罩后部形成一定的负压区。也正是由于导流罩头尾的压力差的形成增大了船舶航行时的阻力，这种压力差越大，船舶的航行阻力也就越大。相比压差阻力而言，由于船体表面比较光滑且流线型比较好，船航行时产生的摩擦阻力比较小。

表1最大水面线长宽比导流罩的尺寸参数(m)

Tab.1The size of the sonar dome at the length-width ratio

of maximum water surface

l/t2.02.52.72.93.03.23.4l×t×h2.44×1.22×1.053.05×1.22×1.053.29×1.22×1.053.54×1.22×1.053.66×1.22×1.053.90×1.22×1.054.15×1.22×1.05l/t3.53.63.84.04.24.55.0l×t×h4.27×1.22×1.074.39×1.22×1.104.64×1.22×1.164.88×1.22×1.225.12×1.22×1.285.49×1.22×1.376.10×1.22×1.53

图6　船速为16 kn时剖面速度分布Fig.6　Velocity contour of the vertical profile at the speed of 16 kn

图7　船速为16 kn时的阻力监测曲线Fig.7　Monitored resistance curve of the ship at the speed of 16 kn

图6为船航行时剖面上的速度分布云图。由图可知，船首、导流罩以及船尾处水流速度明显增大，船尾处速度梯度很大，产生漩涡较多，表明此处发生了流动分离现象，造成船航行时阻力增大。图7是船航行时的阻力系数随时间的变化情况，可见船开始航行时阻力并不稳定，会出现一定的波动，大约经过3 s航行阻力就基本趋于稳定，此后船航行速度不变时阻力基本不变，这与实际完全相符。

对加装了不同长宽比导流罩的船运行稳定时所受的航行阻力进行统计分析，得到航行阻力与导流罩最大水面的线长宽比关系如图8所示。

图8　加装不同长宽比导流罩的船在速度16 kn时的航行阻力Fig.8　The sailing resistance of the ship installing different　length-width sonar dome at the speed of 16 kn

由图可知，船航行时所受的阻力先随着导流罩长宽比的增大而逐渐减小，导流罩在水面线长宽比增大至3.5时航行阻力达到最小值，其后随着长宽比的进一步增大，航行阻力逐渐增大，说明并不是导流罩越细长，船航行时的阻力就越小。导流罩的长宽比在3.4~3.6之间时，船航行时受到的阻力较小，且此时导流罩的总排水体积较小，综合性能最佳。随着导流罩长宽比进一步增大，船航行阻力先增大后减小，在比值为4.2时达到极大值，此后逐渐趋于稳定，但长宽比的增大会使导流罩的排水体积明显增大，制造成本增大，综合性能不佳。这一模拟结论与文献[3]的水模实验结果完全相符。

对模拟结果数据进行函数拟合可以得到船航行阻力与导流罩长宽比的关系式，以预测加装其他长宽比导流罩的船航行时所受的阻力，减少数值计算量，节约时间并为实际设计提供参考。拟合得到的函数关系式如下式所示：

式中Fd为船航行时所受的阻力。

决定系数R2=0.911，表明趋势线的估计值与实际数据的拟合程度比较高。

2.2　导流罩的最大纵剖面高宽比对航行阻力影响

根据以上模拟结果，水面线长宽比为3.5时船舶的航行阻力性能最佳，因此，在分析导流罩最大纵剖面的宽高比影响时，保持导流罩的水面线长宽比3.5不变，即保持导流罩的长宽分别为4.27 m和1.22 m不变。参照文献[3]的建议，设置9个不同宽高比t/h的导流罩模拟方案进行分析，方案设置如表2所示。

表2　最大纵剖面高宽比导流罩的尺寸参数(m)

针对以上9种不同高宽比的导流罩，模拟分析某I型船以最大试航速度16 kn航行时所受的阻力情况。以导流罩最大纵剖面宽高比为1.14时的模拟结果为例，分析船在航行时所受阻力的情况。

图9和图10是船在加装最大纵剖面宽高比为1.14的导流罩，以最大试航速度16 kn航行时船体周围、船底以及导流罩的压力云图。从图中可看出，船体周围、船底以及导流罩附近的压力变化情况与图5基本一致，但导流罩头尾的最大正负压力差明显减小，也就是航行阻力显著降低。原因在于此次研究的导流罩长宽比为3.5、宽高比为1.14，相对长宽比为3.0、宽高比4.0的导流罩，船航行时的阻力小很多。图10为导流罩附近所受的压力，从此图可以看出，导流罩前部对水有压缩作用，使该部位压力明显升高，达到船航行时的最大正压力，而导流罩后部会形成一定负压区。但是由于导流罩在船底，其受到的水压比较大，使得导流罩前部受到的压力更大，导流罩后部产生的负压被抵消，形成一定的正压力。

图9　导流罩的宽高比为1.14时船体所受的压力Fig.9　Pressure distribution of the ship with sonar dome at the　width-height ratio of 1.14

图10　导流罩的宽高比为1.14时导流罩所受的压力Fig.10　Pressure contour around sonar dome at the　width-height ratio of 1.14

对加装了不同宽高比的导流罩的船航行稳定时所受的阻力进行数据统计，得到如图11所示的航行阻力与导流罩纵剖面宽高比的关系。

由图11可知，船航行时所受的阻力随着导流罩宽高比的增大先逐渐增大，导流罩宽高比增大至1.0时船的航行阻力会达到极大值，其后随着宽高比的进一步增大，航行阻力会先减小后增大。在宽高比达到1.14时，船的航行阻力会达到最小值，此时导流罩的高度为1.07 m，长高比l/h为4.0，满足声呐设备对导流罩的尺寸要求。文献[3]的实验结果也表明，此时船的航行阻力会比加装其他宽高比的导流罩小的多，综合性能最佳，可见本文的数值结论与实验高度吻合。随着导流罩的宽高比超过1.14后，船的航行阻力随之逐渐增大，但当宽高比达到1.3及以上时，导流罩的高度减小到0.94 m以下，内部容积过小，将会限制声呐设备的安装与使用，因此宽高比大于1.3的导流罩没有使用价值。宽高比低于1.05时，导流罩的高度过大，航行阻力性能不佳而且制造成本增大，没有实际意义。

图11　加装不同宽高比导流罩的船在速度16 kn时的航行阻力Fig.11　The sailing resistance of the ship installing different　width-height sonar dome at the speed of 16 kn

综上所述，导流罩的宽高比在1.1~1.2之间时，船航行阻力较小，其结构参数能满足安装声呐设备的要求，综合性能最好。

3结语

建立了船舶在水中航行的三维数值模型，研究了导流罩的最大水面线长宽比及最大纵剖面宽高比等关键结构参数对船舶航行阻力的影响，得出以下结论：

1)导流罩的结构参数对其航行阻力影响明显。在能满足安装声呐设备的条件下，导流罩并非越小其所受航行阻力越小，而存在一个最佳结构参数使其阻力性能与声呐水声性能最优。

2)导流罩的最大水面线长宽比在3.4~3.6时，所受航行阻力比较小，且此时其总排水体积较小，综合性能最佳；

3)导流罩的最大纵剖面宽高比在1.1~1.2时，航行阻力较小，且此时导流罩的尺寸也满足安装声呐设备的尺寸要求，综合性能最佳。

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Effect of key structure parameters for sonar dome on sailing resistance

NI Shou-long,DU Li-ming,YU De-zhuang

(Province Key Lab of Vehicle Engineering Advanced Technology,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Abstract：Sailing resistance and underwater acoustic performance are decided by the profile and structure parameters of sonar dome. Owing to protruding from the hull bottom or the head of a ship, sonar dome can significantly reduce influence of water flow on detecting objective performance of sonar, while at the same time it increase sailing resistance to some extent. In the present thesis, effects of some key structure parameters, such as length-width ratio of the maximum water surface line of a sonar dome and width-height ratio of the maximum longitudinal section, on sailing resistance of certain I ship was numerically researched. The numerical results show that sailing resistance of the ship installed with the sonar dome whose length-width ratio is about 3.4~3.6 and width-height ratio is about 1.1~1.2 is significantly smaller than installed with other sonar dome. Moreover, the drainage volume of the sonar dome is smaller than others and its comprehensive performance is best compared with other sonar dome. The numerical results agree well with the experimental data.

Key words：sonar dome;parameters structure;sailing resistance;numerical simulation

作者简介：倪守隆(1989-)，男，硕士研究生，主要从事机车车辆流体动力学研究。

收稿日期：2013-12-10； 修回日期： 2014-01-24

文章编号：1672-7649(2015)01-0050-06

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.010

中图分类号：U662.2

文献标识码：A