潜艇如何“消音”？LES与DES仿真技术揭秘水下攻防的噪声博弈

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导读：在水下攻防博弈中，噪声水平直接决定潜艇的生存能力与作战效能 —— 从中国 091 型核潜艇因 160 分贝的高噪声被讥讽为 “水下拖拉机”，到 093B 型通过降噪技术突破将噪声降至 118 分贝、实现穿越宫古海峡时规避日方反潜探测的实战突破，声学隐身技术的代差已成为改写海洋军事平衡的关键。

现代潜艇面临的反潜环境日趋严苛，美军 “索萨斯” 海底声呐网络、主动声呐在浅水区的广泛应用，对噪声控制提出了 “接近海洋背景音 + 干扰探测信号” 的双重要求。而螺旋桨空化脉冲、船体尾流涡脉动、推进系统振动辐射等噪声源的精准预测，正是声学隐身设计的核心前提。实验测量虽能提供基础数据，但拖曳水池试验受尺度效应限制（如空化现象难以完全复现）、消声水池测试成本高达数千万元 / 次，且无法实时反馈设计参数的优化方向。

数值仿真因此成为降噪研发的核心支撑，但其面临着 “非定常流动捕捉精度” 与 “计算资源消耗” 的尖锐矛盾：DNS 直接求解全尺度湍流需百亿级网格，仅适用于理论研究；RANS 方程的时均处理则会滤除螺旋桨叶尖涡脱落、空化气泡溃灭等关键噪声源信息。在此背景下，LES（大涡模拟）与 DES（分离涡模拟）凭借 “精准捕捉大尺度涡结构 + 控制计算成本” 的独特优势，成为工程领域预测潜艇噪声的主流技术。

潜艇噪声产生核心原理

潜艇噪声主要源于三类核心声源：一是螺旋桨噪声，包括叶片表面湍流压力脉动（由边界层分离、尾流涡脱落引发）与空化噪声（叶尖低压区气泡生成 - 溃灭产生脉冲声波），是空化航速下的主导噪声源；二是船体噪声，由船体表面湍流绕流（尤其尾部分离涡）、附体（舵、稳定翼）流动干扰产生；三是机械噪声，虽可通过隔振措施削弱，但流固耦合引发的结构振动仍会辐射噪声。其中，螺旋桨的非定常流动与空化现象，是噪声仿真需重点捕捉的物理本质。

噪声模拟方法

潜艇噪声模拟分为实验测量与数值模拟两类。实验测量（如拖曳水池模型试验、消声水池测试）能获取真实数据，但成本高、周期长且受尺度效应限制；数值模拟则通过求解流动与声学方程实现高效预测，主流方法包括 DNS（直接数值模拟，精度高但计算量极大，仅适用于简单场景）、RANS（雷诺平均 Navier-Stokes 方程，效率高但难以捕捉非定常大涡）、LES（大涡模拟，聚焦大尺度涡捕捉，兼顾精度与效率）及 DES（分离涡模拟，融合 RANS 近壁优势与 LES 远场分离流动预测能力）。对于潜艇复杂非定常流动与噪声，LES 与 DES 是当前工程应用的核心选择。

1、大涡模拟（LES）原理

LES 的核心思想是 “过滤分离、分区模拟”：通过空间过滤函数，将湍流流场分解为大尺度涡（可直接求解）与小尺度涡（亚格子涡，需通过亚格子模型近似）。大尺度涡能量占比高、对噪声贡献显著，且其运动具有强非定常性，需通过非定常求解 Navier-Stokes 方程捕捉；小尺度涡能量低、耗散性强，可基于统计假设构建亚格子模型（如 Smagorinsky 模型、WALE 模型）模拟其对大尺度涡的动量输运。LES 无需对湍流进行时均处理，能精准还原螺旋桨尾流涡结构、船体尾部分离等非定常流动，为噪声源识别提供直接流场数据，是潜艇非定常噪声仿真的核心方法。

2、分离涡模拟（DES）原理

DES 是 LES 与 RANS 的混合模拟方法，旨在解决 “近壁流动高效模拟” 与 “远场分离流动精准捕捉” 的矛盾：在近壁区（如船体表面、螺旋桨叶片壁面），由于小尺度涡密集且受壁面约束，采用 RANS 方法（如 k-ω SST 模型）模拟，兼顾效率与近壁湍流精度；在远场或分离区（如螺旋桨尾流、船体尾部分离涡区），当网格尺寸小于 RANS 模型特征长度时，自动切换为 LES 模式，直接捕捉大尺度分离涡。其切换机制通过 “网格长度尺度” 与 “RANS 模型长度尺度” 的对比实现，确保在流动梯度大的分离区域启用 LES，在近壁平稳区域保留 RANS 优势，特别适合潜艇这类含复杂壁面与强分离流动的场景。

潜艇噪声仿真模型和准则

潜艇噪声声学仿真主要采用 “混合模型” 与 “直接模型” 两类：混合模型（流场 - 声学分步计算）是工程主流，先通过 LES/DES 求解流场，获取声源区（如螺旋桨表面、尾流区）的压力脉动数据，再代入声学类比方程计算声场 —— 常用 Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程（适用于运动声源，如旋转螺旋桨），或 Lighthill 方程（适用于静止声源，如船体表面）；若涉及空化噪声，需结合空化模型（如 Schnerr-Sauer 模型、Zwart-Gerber-Belamri 模型），模拟气泡生成 - 生长 - 溃灭过程，再通过 “气泡脉动声学模型” 计算空化脉冲噪声。直接模型（流声耦合计算）直接求解可压缩 Navier-Stokes 方程，同时捕捉流动与声场耦合，精度高但计算量极大，仅适用于近场小区域（如螺旋桨表面 1 倍 D 范围内）的精细噪声分析。

声学仿真需遵循四大准则以确保精度：一是时间步长准则，时间步长 Δt 需同时满足 CFL 条件（Δt < 0.5×Δx/c，Δx 为声学路径网格尺寸，c 为水中声速≈1500m/s）与声学周期要求（Δt < T/20，T 为噪声主频周期），避免声波传播数值弥散；二是监测点设置准则，近场监测点（螺旋桨附近 1-2D）用于声源特性分析，远场监测点（≥2λ，λ 为噪声主频波长）用于传播特性分析，且监测点需避开尾流涡核心区，防止流场扰动干扰声压测量；三是网格分辨率准则，声学传播路径上的网格尺寸需满足 Δx ≤ λ/15（λ = c/f，f 为噪声主频），确保每个波长有足够网格点捕捉声波相位变化；四是统计时间准则，声学计算需基于足够长的流场数据（至少 3-5 个流动特征时间，如螺旋桨旋转 3-5 圈），确保声压级、频谱等统计量收敛，误差≤3dB。

潜艇噪声仿真方法

1、潜艇噪声计算域建立的核心准则

计算域是噪声仿真的 “物理容器”，其建立需遵循四大核心准则：一是源区全覆盖，必须完整包含主要噪声源区域（螺旋桨及其尾流、船体尾部、舵与稳定翼），避免遗漏关键声源；二是声学传播适配，需预留足够的声学传播空间，确保远场监测点处于 “声学远场”（距离声源至少 2 倍噪声主频波长），避免声场未充分发展即被边界截断；三是边界干扰最小化，计算域边界需远离关键流动区，避免壁面效应导致的流动畸变与声波反射；四是效率平衡，在满足精度的前提下，控制计算域规模，避免过度冗余的网格与计算成本。

2、潜艇噪声计算域的尺寸与形状建议

计算域形状需适配潜艇细长体几何与流动方向，优先采用 “圆柱形” 或 “长方体”（轴向沿来流方向）：圆柱形计算域可减少周向流动干扰，长方体则便于结构化网格划分。尺寸设计需结合潜艇特征长度（以艇长 L、螺旋桨直径 D 为基准）：轴向（来流方向），艇首前方需延伸 1-2L（避免入口边界对艇首绕流的影响），艇尾后方需延伸 3-5L（覆盖螺旋桨尾流传播与噪声辐射）；径向（垂直来流方向），需达到 2-3D（避免侧壁对螺旋桨周向流动与声场的约束）；若包含空化模拟，径向尺寸需适当扩大至 3-4D，防止空化气泡溃灭的声波过早反射。以 10m 长试验潜艇（螺旋桨直径 1m）为例，计算域轴向建议 10m（艇前）+10m（艇身）+30m（艇后）=50m，径向半径 3m。

3、潜艇噪声边界条件设置

边界条件需同时满足流动与声学要求：流动边界方面，入口采用 “速度入口”（设置与潜艇航速匹配的来流速度，如 10kn 对应 5.14m/s）或 “总压入口”（给定环境总压）；出口采用 “压力出口”（设置水下环境静压，如 10m 水深对应 202650Pa）；侧 / 顶部远场边界采用 “自由流边界” 或 “远场边界条件”，确保流动平顺无回流；潜艇与螺旋桨表面采用 “无滑移壁面边界”，若需考虑壁面粗糙度，可通过修正壁面函数实现。声学边界方面，远场边界需设置 “非反射边界”（如海绵层、FW-H 方程边界），吸收向外传播的声波，避免边界反射导致的声场失真；若采用混合声学模型（如流场 - 声学分步计算），需在声源区（螺旋桨表面、尾流区）设置 “声学积分面”，用于提取流场压力脉动数据。

4、潜艇噪声仿真网格划分通用原则

网格是数值仿真的 “离散载体”，需遵循五大通用原则：一是质量优先，网格长宽比（Aspect Ratio）近壁区需≤20，远场可放宽至≤100；偏斜度（Skewness）≤0.8，避免畸形网格导致计算发散；正交性≥0.3，确保流场梯度计算精度；二是类型适配，采用 “结构化 + 非结构化” 混合网格：船体主体、远场等规则区域用结构化网格（计算效率高、精度稳定），螺旋桨叶片、舵等复杂几何区域用非结构化网格（几何适应性强）；三是过渡平滑，不同类型网格的衔接处需设置过渡层，网格尺寸变化率≤1.2，避免突变引发的数值振荡；四是物理一致性，网格尺寸需与流动尺度匹配（如捕捉螺旋桨叶片边界层，需满足 y+≈1）；五是可扩展性，预留网格加密接口，便于后续对关键区域进行网格收敛性验证。

5、潜艇噪声网格划分的核心目标

网格划分的核心目标是 “精度与效率的平衡”，具体可拆解为两点：一是精准捕捉关键物理现象，确保噪声源区（螺旋桨叶片表面、尾流涡区）与声学传播区的网格分辨率足够，能还原压力脉动、涡结构等细节；二是控制计算成本，在非关键区域（如艇首前方远场、径向外侧非声学敏感区）采用粗网格，避免资源浪费。简单来说，就是 “该密则密、该粗则粗”—— 既不因网格过粗丢失噪声源信息，也不因网格过密导致计算周期过长，最终实现 “以合理成本获取可靠结果” 的工程目标。

6、潜艇噪声关键区域的网格加密

关键区域的网格加密是噪声仿真精度的核心保障，需重点针对三类区域：一是螺旋桨区域，叶片表面法向需划分 10-15 层加密网格，第一层网格高度满足 y+≈1（约 5-10μm，根据流体粘度与壁面摩擦速度计算），叶片周围径向加密范围需覆盖 1-2 倍叶片弦长，叶片前缘、后缘等流动梯度大的部位，网格尺寸需进一步缩小至弦长的 1/50-1/100；二是船体尾部与附体区，船体尾部（艇长最后 1/4 段）、舵与稳定翼表面及周围，需沿表面法向加密至 y+≈5，分离涡可能发展的区域（舵后 2-3 倍舵弦长）需径向加密；三是螺旋桨尾流区，沿尾流方向（艇尾后方 3-5 倍 D 范围），网格尺寸需控制在 D/20-D/30，确保捕捉尾流涡的脱落、合并过程，同时声学传播路径上的网格需满足 “每波长 10-15 个网格点”，避免声波传播误差。

7、潜艇噪声棱柱层网格的设置

棱柱层网格专为近壁区设计，用于精准捕捉壁面边界层流动，其设置需遵循四要点：一是层数与高度，近壁棱柱层需设置 8-15 层，第一层高度 Δy₁根据 y + 要求计算（Δy₁ = y+×ν/uτ，ν 为运动粘度，uτ 为壁面摩擦速度），若采用 WMLES（壁分辨 LES），需确保 y+≈1，层数需≥12；二是拉伸比，相邻层网格高度比控制在 1.1-1.3，避免拉伸过大导致网格质量下降；三是覆盖范围，棱柱层需完整覆盖潜艇表面、螺旋桨叶片、舵与稳定翼，且在几何突变处（如叶片前缘、舵的转角）连续过渡，无中断；四是衔接过渡，棱柱层与外部的结构化 / 非结构化网格需通过 “金字塔网格” 或 “四面体网格” 平滑过渡，过渡区网格尺寸变化率≤1.2，确保流场计算稳定。

潜艇噪声 LES 分析工作流

LES 分析遵循 “前处理 - 计算 - 后处理” 全流程闭环，具体步骤如下：前处理阶段，首先进行几何建模（简化潜艇非关键细节，保留船体、螺旋桨、舵的精细几何），再按准则建立计算域（确定尺寸与形状），随后划分混合网格（关键区域加密、设置棱柱层），检查网格质量（长宽比、偏斜度等），接着设置边界条件（流动 + 声学）与物理参数（流体密度、粘度、声速），最后配置 LES 求解器（选择有限体积法、WALE 亚格子模型、设置时间步长与总时长）；计算阶段，先初始化流场（设置来流速度与静压），再启动非定常计算，实时监测收敛性（残差、螺旋桨推力系数波动），按提取准则定期保存流场数据；后处理阶段，先通过可视化工具（如 ParaView）分析流场（涡结构、速度矢量、压力云图），识别噪声源位置，再将流场数据代入 FW-H 方程计算声场（声压级、频谱、指向性），随后对比实验数据验证结果精度，最后生成分析报告（含声源特性、降噪建议）。

1、潜艇噪声大涡模拟（LES）网格建立准则

LES 对网格的要求远高于 RANS，核心准则包括：一是大涡捕捉分辨率，网格尺寸 Δx 需小于大涡特征长度的 1/10-1/20（大涡特征长度如螺旋桨叶片弦长 Lc，Δx ≤ Lc/20），确保大尺度涡不被过滤；二是壁面分辨率，采用 WMLES 时，近壁网格需满足 y+≈1，无需壁面函数；若采用壁面函数 LES，y + 需控制在 30-60，且需选择适配的亚格子模型（如 Smagorinsky-Lilly 模型）；三是各向同性要求，在湍流发展充分的区域（如螺旋桨尾流），网格 x、y、z 方向尺寸比需≤1.5，避免过度拉伸导致大涡变形；四是网格数量准则，根据几何复杂度，潜艇 LES 网格数量通常在 10⁸-10⁹量级（如带螺旋桨的潜艇模型，网格数约 5×10⁸），需结合计算资源合理调整，确保大涡捕捉与计算效率平衡。

2、潜艇噪声大涡模拟（LES）时间步长设置准则

LES 时间步长需兼顾 “流动捕捉精度” 与 “计算稳定性”，遵循三大准则：一是CFL 条件约束，流场中流体粒子在 Δt 内移动的距离需≤0.5×Δx（Δx 为当地网格尺寸），即 Δt < 0.5×Δx/u（u 为当地流速），避免数值扩散；二是涡时间尺度约束，Δt 需小于大涡时间尺度的 1/5-1/10（大涡时间尺度 τ = L/u，L 为大涡特征长度），确保捕捉大涡的生成、发展与脱落过程；三是旋转运动约束，针对螺旋桨旋转（角速度 Ω），Δt 需小于螺旋桨旋转周期的 1/30-1/50（T = 2π/Ω，Δt < T/50），确保捕捉叶片通道内的周期性压力脉动。以螺旋桨转速 10r/s（T=0.1s）、叶片附近网格尺寸 Δx=1mm 为例，Δt 需≤2×10⁻⁶s，兼顾旋转与 CFL 要求。

3、潜艇噪声大涡模拟（LES）流场提取准则

流场提取是连接 LES 计算与声学分析的关键，需遵循四大准则：一是提取区域准则，覆盖 “声源核心区”（螺旋桨表面、叶片通道、船体尾部）与 “声学传播路径区”（从声源到远场监测点的直线范围），确保不遗漏关键压力脉动源；二是提取参数准则，需包含速度（轴向、径向、周向分量）、静压与脉动压力、涡量（模与分量）、湍流统计量（Reynolds 应力、湍流动能 k），为空化模拟还需提取气泡体积分数；三是采样频率准则，采样频率 fₛ需≥2×fₘₐₓ（fₘₐₓ为流场脉动最高频率，fₘₐₓ≈u/(2Δx)），避免频率混叠，如流速 u=5m/s、Δx=1mm 时，fₛ≥5000Hz；四是采样时间准则，采样时长需≥3-5 个流动特征时间（如螺旋桨旋转 3 圈），确保提取数据具有统计代表性，能准确计算噪声频谱的平稳性。

噪音LES和DES计算视频教程

LES 与 DES 不仅是当前潜艇噪声仿真的主流技术，更是推动声学隐身从 “经验设计” 向 “数字驱动” 转型的核心引擎。其技术体系的深化与拓展，将持续为水下作战力量的 “藏” 与 “探” 提供关键支撑，助力破解深海攻防的战略博弈难题。

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《STAR-CCM潜艇及螺旋桨噪音LES和DES计算及验证》

课程内容及大纲

第1讲：潜艇阻力预测-潜艇流体域几何建立准则

第2讲：潜艇阻力预测-在建模软件中进行边界命名

第3讲：潜艇阻力预测-潜艇几何模型处理

第4讲：潜艇阻力预测-建立潜艇网格

第5讲：潜艇阻力预测-建立物理模型

第6讲：潜艇阻力预测-设置边界条件

第7讲：潜艇阻力预测-设置阻力系数报告

第8讲：潜艇阻力预测-建立场景

第9讲：潜艇阻力预测-设置求解参数

第10讲：潜艇阻力预测-结果与文献对比

第11讲：潜艇噪声大涡模拟-网格和时间步准则介绍

第12讲：潜艇噪声大涡模拟-建立大涡模拟网格

第13讲：潜艇噪声大涡模拟-建立大涡模拟物理模型

第14讲：潜艇噪声大涡模拟-设置边界条件

第15讲：潜艇噪声大涡模拟-监测压力波动

第16讲：潜艇噪声大涡模拟-建立压力波动场景

第17讲：潜艇噪声大涡模拟-设置求解器

第18讲：潜艇噪声大涡模拟-CPU与GPU计算速度对比

第19讲：潜艇噪声大涡模拟-计算求解

第20讲：潜艇噪声大涡模拟-总声压级与文献对比

第21讲：潜艇噪声大涡模拟-制作声压波动动画

第22讲：潜艇噪声分离涡模拟-建立分离涡模型

第23讲：潜艇噪声分离涡模拟-分离涡和大涡结果对比分析

第24讲：带螺旋桨的潜艇噪声大涡模拟-建立潜艇和螺旋桨几何模型

第25讲：带螺旋桨的潜艇噪声大涡模拟-替换潜艇几何和增加螺旋桨几何

第26讲：带螺旋桨的潜艇噪声大涡模拟-建立网格

第27讲：带螺旋桨的潜艇噪声大涡模拟-设置边界条件

第28讲：带螺旋桨的潜艇噪声大涡模拟-建立推理系数和扭矩系数等报告

第29讲：带螺旋桨的潜艇噪声大涡模拟-建立场景

第30讲：带螺旋桨的潜艇噪声大涡模拟-推力系数与扭矩系数验证

第31讲：带螺旋桨的潜艇噪声大涡模拟-噪音结果分析

仿真报告

英文参考文献-与文献进行对标

中文参考文献

几何模型

计算文件

噪音与文献对比

以SUboff潜艇和INSEAN E1619 螺旋桨为研究对象，采用大涡模拟和分离涡模拟对潜艇噪音进行了计算，计算总声压为107.9dB，与文献[12]中103.4 dB的偏差为（107.9-103.4）/103.4=4.35%。

来源：仿真秀App

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首次发布时间：2025-10-27

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