水下航行器外型复杂，其流线型结构中较为明显的突出部位，如围壳、舵及稳定翼等翼型结构，均破坏了流场及压力场的连续性．其中湍流流动产生的边界层脉动压力向外辐射宽频噪声，而翼型尾缘处会诱发涡脱落，产生离散噪声，同时激起结构振动，产生流激噪声．因此，通过尾缘结构设计改善翼型流场及声场，对水下航行器作战能力和生存能力具有重大意义．广义的水动力噪声包括流噪声和流激噪声．对于翼型流噪声，国内外的研究较多[1-6]，大多采用计算流体力学大涡模拟计算流场，进而采用声类比理论计算声场．而对于翼型流激噪声，国内仅有少量研究．文献[7]仿真计算了流速及攻角对二维翼型流激噪声的影响．文献[8]采用双向流固耦合计算方法研究了弹性水翼的流激噪声．文献[9]采用URANS方法数值计算了三维刚性水翼的流致噪声，研究了质量矩对水翼振动噪声的影响．本研究设计了三种不同尾缘结构的翼型，采用大涡模拟和声振理论分别计算其流场和声场，通过水洞实验，对比分析不同尾缘结构的翼型声振特性，为水下航行器声隐身设计提供理论指导．1 不同尾缘结构的翼型设计在前苏联НЕЖ系列翼型和德国Jfs系列翼型的基础上，参照文献[10]，在保证翼型升力系数的前提下，如图1所示，设计了三种不同尾缘结构的翼型：翼型A尾缘比较尖锐；翼型B尾缘为方型；翼型C尾缘近似鱼尾型．三种翼型弦长为250 mm，展长为200 mm，即具有相同的展弦比，厚度为45 mm，厚度比为0.18．10.13245/j.hust.210507.F001图1三种尾缘结构翼型的型线图2 不同尾缘结构的翼型仿真计算2.1　流场计算分析翼型流场计算采用商业软件ANSYS CFX，计算域大小参照文献[11]设置，均采用结构化网格划分，并在前缘和尾缘附近区域进行网格加密，网格数量均在2.5×107左右．计算域进口速度设为3 m/s，出口压力设为标准大气压，采用LES计算流场，得到0°攻角时各翼型涡核心区域分布如图2所示．由图2可知：涡流主要集中在翼型前缘和尾缘处，且尾缘处涡流更多更复杂，沿尾流向下发展扩散．10.13245/j.hust.210507.F002图20°攻角时各翼型涡核心区域分布图3为0°攻角时各翼型中截面速度云图，图中v为流速．由图3可知，低速区主要集中在翼型前缘、尾缘及尾迹流附近．尖锐型尾缘翼型A由于尾部非常尖，因此尾迹流比较窄，但比较狭长；鱼尾型尾缘翼型C剖面靠后的收缩点处形成较明显的低速区，且尾部较宽，由此处发展起来的涡流较复杂且较宽，沿尾迹振荡剧烈，并向后影响较远；方型尾缘翼型B尾迹最短，且宽度居中，可见其尾部的平直段对流场有一定的整流作用．10.13245/j.hust.210507.F003图30°攻角时各翼型中截面速度云图2.2　流激噪声计算分析由于进口流速为3 m/s，马赫数较低，因此流动过程中湍流边界层脉动压力产生的流噪声为小量，可忽略不计[12]，本研究中仅计算流激噪声．在商业软件LMS Virtual.Lab中，将计算得到的湍流边界层脉动压力作为激励源加载到翼型表面，采用声振理论求解声场．计算得到不同攻角下的噪声声压级计算值对比和总声压级分别如图4和表1所示，图中：Lp为声压级；f为频率．可以看出：各翼型总声压级均随攻角增大而增加；在10~600 Hz范围内，翼型A的噪声总声压级最大，翼型C次之，翼型B的噪声总声压级最小．这是因为翼型的尖锐尾缘可以看作是在湍流流场中形成了一个声散射面，从而提高了湍流的辐射声功率[13-14]．10.13245/j.hust.210507.F004图4不同攻角下的声压级计算值对比10.13245/j.hust.210507.T001表1不同攻角下噪声总声压级翼型攻角0°10°20°30°A100.1125.9131.2134.9B92.2103.8106.7109.2C99.2105.1107.6110.2dB3 实验结果与分析为验证噪声计算的有效性，进而研究翼型尾缘声振规律，本研究加工了以上三种尾缘结构的翼型，并在水洞中对三种翼型结构在不同攻角下的声振特性进行了测试分析．3.1 攻角不同引发的振动噪声特性图5为攻角不同时的振动加速度级对比，图中VAL为振动加速度级．由图5可知：在10~600 Hz频率范围内，翼型A的主要峰值点有4个(56.3，172.7，345.3，518.0 Hz)，翼型B有1个(62.5 Hz)，翼型C有1个(73.4 Hz)；除峰值点外，各翼型振动加速度级的趋势基本上均随着频率的增大而减小，最后趋于稳定；整体看来，大攻角时的振动加速度级曲线基本上要高于小攻角时的振动加速度级曲线．10.13245/j.hust.210507.F005图5攻角不同时振动加速度级对比图6为各翼型在不同攻角下的声压级对比，由图6可知：在10~600 Hz频率范围内，翼型A的声压级曲线随着攻角的增大而增加，而翼型B和翼型C的声压级曲线随攻角变化不明显；翼型A的声压峰值频率较多；除峰值点外，各翼型的声压级曲线的变化趋势基本上均随着频率的增大而减小．10.13245/j.hust.210507.F006图6不同攻角下的声压级对比由图5和图6可知：翼型A的振动加速度级频谱和声压级频谱出现了多个较明显的峰值点，而翼型B和翼型C相对较少，这是由于翼型A尾缘周期性的涡脱落较剧烈，因此激起了翼型A的多阶模态频率．另外，各翼型的声压级频谱在100，215，520 Hz附近均存在峰值，而振动加速度级在此频率无对应峰值，可见实验环境中还存在其他噪声源．3.2 尾缘结构不同引发的振动噪声特性图7为尾缘不同时的振动加速度级对比，由图7可知：在10~600 Hz频率范围内，翼型A的振动加速度级基本上高于翼型B和翼型C的振动加速度级，且波动剧烈；翼型B和翼型C的振动加速度级曲线相差不多，但翼型C的振动加速度级曲线稍高．10.13245/j.hust.210507.F007图7尾缘不同时振动加速度级对比图8为尾缘不同时声压级对比曲线，由图8可知：在10~600 Hz频率范围内，翼型A的声压级曲线均高于翼型B和翼型C的声压级曲线，且波动剧烈，翼型B和翼型C的声压级曲线相差不多．10.13245/j.hust.210507.F008图8尾缘不同时声压级对比3.3 数据对比分析表2为各翼型不同攻角下的振动加速度总级对比，由表中数据可知：在10~600 Hz频率范围内，各翼型的振动加速度总级均随着攻角的增加而增大；在各攻角下，翼型A的振动加速度总级最高，翼型C次之，翼型B最小．10.13245/j.hust.210507.T002表2不同攻角下振动加速度总级翼型攻角0°10°20°30°A96.798.1100.4101.7B91.894.296.599.1C92.994.6100.1101.6dB表3为各翼型在不同攻角下的总声压级实验值与仿真值对比，从表中数据可知：实验和计算的总声压级随翼型攻角的变化趋势一致，在600 Hz频率范围内，各翼型的总声压级均随着攻角的增加而增大；在各攻角下，翼型A的总声压级最大，翼型C次之，翼型B的总声压级最小．10.13245/j.hust.210507.T003表3各翼型不同攻角下的总声压级翼型攻角10°20°30°A计算值125.9131.2134.9实验值130.3138.7139.6B计算值103.8106.7109.2实验值109.1110.1111.2C计算值103.8106.7109.2实验值109.1110.1111.2dB实验值和计算值存在误差，计算值均小于实验值，且相对误差基本上随翼型攻角的增大而减小，这主要是因为计算值是在理想条件下得到，而实验中环境噪声、传感器安装及水洞壁面、模型刚度和固定情况等因素均会使实验值偏大，且这种误差随着总声压级的增大(也即攻角的增大)，所占的比例会逐渐减小．另外，各翼型声压级频谱的计算值与实验值存在一定的差异，也是由上述原因造成的．4 结论本研究在前苏联НЕЖ系列翼型和德国Jfs系列翼型的基础上，设计了三种不同尾缘(尖锐型、方型和鱼尾型)结构的翼型，采用数值计算和实验研究，对各个翼型在不同攻角下的声振特性进行了研究分析，得到了如下结论．a. 各翼型的振动加速度总级和总声压级均随着攻角的增大而增大；尖锐尾缘翼型的振动加速度级及声压级峰值均比方型尾缘翼型和鱼尾型尾缘翼型多；除峰值点外，各翼型的振动加速度级和声压级曲线的变化趋势基本上均随着频率的增大而减小．b. 尖锐尾缘翼型的振动加速度级和声压级基本上高于方型尾缘翼型和鱼尾型尾缘翼型，且波动剧烈；方型尾缘翼型和鱼尾型尾缘翼型的振动加速度级和声压级曲线相差不多，但鱼尾型尾缘翼型的振动加速度级和声压级曲线稍高．c. 计算结果与实验结果一致：方型尾缘翼型的总声压级最小，鱼尾型尾缘翼型次之，尖锐尾缘翼型最大．这是因为翼型的尖锐尾缘可以看作是在湍流流场中形成了一个声散射面，从而提高了湍流的辐射声功率．