现代潜艇是历经百年酝酿、在 20 世纪迅 速发展起来的一种水下作战舰艇。在过去的 一个世纪中，潜艇以其独特的隐蔽性优势， 在两次世界大战中取得了卓越战绩。潜艇作 为海军的主要作战装备受到了各濒海国家的 高度重视，也是我国实现“建设海洋强国” 重大战略目标的支撑。
图 1 美国“弗吉尼亚”级核潜艇
然而，潜艇在水下运动时产生的噪声是 其隐蔽性的致命弱点，将直接威胁到潜艇的 战略威慑力甚至自身的安全。水动力噪声是 高速潜艇噪声的三大噪声之一。它由海水作 用于航行中的艇体产生。如何有效地降低水 动力噪声是一个典型的力学问题，也是潜艇 研制过程中必须考虑的关键因素之一。近年来，随着计算机技术和计算流体力学 (CFD, Computational Fluid Dynamics) 的快速发 展，采用数值方法开展水动力噪声问题逐渐 兴起。研制 CFD 分析软件开展噪声问题的 研究，并将研究成果应用于潜航器的设计， 是静音潜艇的设计和选型的重要途径。
湍流是流体运动的一种基本特征，也是 水动力噪声问题的根源。潜艇航行中绝大多 数区域都或多或少地存在湍流。如何模拟潜 艇绕流、预测水动力噪声声源是研究水动力 噪声的基础，这就需要用到湍流模拟方法和 大规模并行技术。
a) 湍流模拟
目前，湍流的数值模拟方法主要有三 种，分别是雷诺平均模拟方法(RANS， Reynolds Average Navier-Stokes)、 大 涡 模 拟 方 法(LES，Large Eddy Simulation)、直接数值模拟方法(DNS， Direct Numerical Simulation)。这三种方 法对流动描述的保真度依次递增，相应的计 算量也依次增加。RANS 方法只计算平均运 动，无法给出可解尺度下速度、压力的脉动 信息，无法满足噪声问题研究的要求。DNS 可以获得流场的全部信息(可解析小尺度脉 动) ，但需要很高的空间和时间分辨率(即需要规模巨大的计算机资源) 。受当前计算 机速度和存储量所限，DNS 对于高雷诺数 复杂流动而言是目前无法承受的。在这种情 况下，LES 方法应运而生，其主要思想是： 对湍流运动的过滤将其分为可解大尺度脉动 和小尺度脉动，大尺度湍流脉动用数值计算 方法直接求解，而对小尺度湍流脉动建立亚 格子模型来封闭运动方程。由于放弃了小尺 度脉动的直接计算，LES 的计算量远小于 DNS，是目前模拟较高雷诺数、复杂流动及 流动噪声的重要手段。
b) 大规并行计算技术
湍流数值模拟技术的发展很大程度依 赖于计算机硬件的发展，尤其是对于复杂非 定常湍流模拟而言，只有依靠强大的高性能 计算才能同时兼顾计算精度和计算效率。尽 管高性能设备的发展取得了巨大的成就，但 CFD 湍流模拟对计算能力的需求却是无止境 的， 例如 NASA Langley 研究 中心预计超 声速运输机的研制过程中，需要计算性能达 每秒千万亿次浮点数运算的高性能设备才能 满足其 CFD 计算量的需求。在国际上，发 展高性能计算设备已经获得了国家战略层面 的重视，并将 CFD 计算视为发展这些高性 能设备的一个重要需求。在计算机硬件飞速 发展的同时，软件水平也必须迎头赶上，在 高性能计算的环境下原本的 CFD 计算构架 需要更新，计算方法需要改进以更好地利用 计算资源。并行计算是加速收敛最直接、最 有效的措施，也是 CFD 走向大型工程应用 之前必须具备的能力。此外，一个好的并行程序还需要好的并行算法。对于同一个物理 问题，可以有多种不同的并行算法来描述， 不同的并行算法设计和流程控制，并行程序 的执行效率会存在巨大的差异。除了能够实 现具体的功能外，并行算法还须适应计算机 软硬件特点，以便高效地调配计算机资源。 总的来说，并行程序的计算效率很大程度上 依赖于并行算法的设计，一个好的并行算法 既要能够很好地匹配并行计算机硬件体系结 构， 又要能够反映所关注问题内在的并行性。
c) 海量数据的后处理
海量数据的后处理技术(或者流场显示 技术)也是噪声问题研究的重要内容，它是 研究者与 CFD 计算结果之间进行交互的重 要窗口。由于 CFD 计算结果数据量巨大， 如何从中获得力 / 声数据，以及研究者所关 心的流动特征是完成数值模拟后的首要处理 问题。一套好的后处理方法，不仅能够获得 简单的力 / 声特性，还能真实地还原流动状 态、挖掘深层的流动机理，甚至探索流动控 制策略、研发降噪设备等。
“湍流与大涡模拟”课题组深入学习力 学所战略规划，积极响应“心系国家事、肩 扛国家责”的号召。近期针对潜艇噪声问题， 开展了湍流边界层的精细化模拟研究(如图 2 所示) 。采用自主研发的 CFD 模拟、分析 工具，对典型潜航器构型进行了数值模拟研 究，实现了当前最大规模贴体网格的壁面解 析大涡模拟，为开展航器噪声预测和降噪研 究迈出了坚实的一步。为实现这一步需要克 服许多技术难题，其中访存瓶颈问题是影响 CPU 执行效率的重要因素之一。为此，我们 发展了基于 Hilbert 空间曲线的网格重排序 方法，有效地提高了 CPU高速缓存的中标率、 缓解了访存瓶颈问题。在实际应用中，该方 法显著地提高了数值模拟计算效率。
此外，为实现噪声问题的快速预测，发 展 了基于雷诺应 力模型(Reynolds Stress Model，RSM) 的 RANS/LES 混 合 方 法。 克服了传统涡粘框架下 RANS/LES 混合方 法在模拟曲面壁湍流问题时存在的不足。该 方法借助雷诺应力模型在刻画各向异性湍流 历史效应和局部效应方面的优势，提高壁面 模型对曲面边界下附面层中湍流的解析能 力。计算结果表明，RSM-RANS/LES 混合 方法能够很好地预测流场平均量和脉动量。 尤其在模拟存在曲面边界及逆压梯度的潜航 器尾段时，表现出比传统方法更好的预测性 能。
当前，课题组以服务国家重大需求为宗 旨，努力践行老一辈科学家的奉献精神，牢 记初心与使命。不断加强关键核心技术的攻关，重点寻求理论与方法的突破。针对潜艇 噪声问题，先后开展了高保真的大涡模拟方 法和高效的 RSM-RANS/LES 混合方法研 究，为后续流动噪声机理研究和实尺度潜航 器的设计、优化，提供高效的数值工具和技 术支撑。
刘毅， 特聘助理研究员， 非线性力学国家重点实验。 研究领域为湍流与大涡模拟 方法；大规模并行计算技术； CFD 加速收敛方法研究。
王士召，研究员，博士 生导师，非线性力学国家重 点实验。研究领域为湍流与 计算流体力学；复杂几何边 界流动的理论与数值模拟。
