華麗嫻，吳英友，周復(fù)濤，陳家聰，鄧小疊

（廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，湛江 524088）

1 前言

水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)噪聲的主要特點(diǎn)是噪音來源多、功率較大等。噪聲會(huì)對(duì)航行器殼體造成危害，還會(huì)阻礙艇內(nèi)機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)、螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)引起的噪聲以及水動(dòng)力噪聲等都是其噪聲的來源，水下航行器的水下輻射噪聲則是影響其各項(xiàng)性能的重要因素之一。螺旋槳噪聲是水下航行器在中、高速航行時(shí)的主要噪聲源，即使在低速航行時(shí)也是水下航行器噪聲的重要來源之一。因此，研究螺旋槳降噪技術(shù)對(duì)水下航行器隱蔽性以及航行器內(nèi)機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性具有重要的意義。

2 螺旋槳外部設(shè)計(jì)

2.1 螺旋槳材料

通常在制作螺旋槳時(shí)采用具有高阻尼性能的材料，其作用是將機(jī)械振動(dòng)和聲振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟⒌簦梢杂行У販p緩槳葉振動(dòng)，降低輻射噪聲。Joshi J等人[1]對(duì)鋁合金、不銹鋼、鈦合金等材料的振動(dòng)頻率進(jìn)行了比較，得出鋁合金材料的特征頻率值最高，是螺旋槳降噪設(shè)計(jì)的理想材料；近年來發(fā)展的主流方向?yàn)閺?fù)合材料，復(fù)合材料葉片由多層編織纖維和泡沫芯體組成，具有重量輕、無(wú)腐蝕、振動(dòng)和噪音小等特點(diǎn)，利用復(fù)合材料制造螺旋槳具有更大的靈活性，可提高水動(dòng)力效率。復(fù)合材料的組成主要有：碳纖維、凱夫拉合成纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂。采用復(fù)合材料制造的螺旋槳重量較輕，通過使用水彈性優(yōu)化推進(jìn)效率可降低螺旋槳噪聲。

2.2 螺旋槳表面涂層

在水下運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋槳會(huì)隨著使用時(shí)間的增加，使海洋生物附著形成生物污垢，從而增加了螺旋槳的粗糙度，導(dǎo)致螺旋槳的推力減小和影響水動(dòng)力性能；此外，隨著氣泡破滅會(huì)引起材料的空蝕，嚴(yán)重?fù)p壞螺旋槳葉片；使用涂料可以使螺旋槳改善水動(dòng)力性能，緩解空化現(xiàn)象。Atlar 等人通過研究表明，具有拋光良好涂層的螺旋槳與沒有涂層的相同螺旋槳相比，帶涂層的螺旋槳可以增加高達(dá)6%的效率增益；此外，通過控制涂料的材料、密度等，可以改變螺旋槳的粗糙度；Asnaghi 等人在2020 年[2]，研究了應(yīng)用不同的粗糙度的涂層來緩解尖端渦流空化的情況。結(jié)果表明，應(yīng)用恰當(dāng)粗糙度的涂料可以防止螺旋槳性能下降，并且與完全光滑條件相比，可以使葉尖渦流空化現(xiàn)象減少約33%；從空化的角度來看，葉片粗糙度和污垢可能會(huì)產(chǎn)生氣泡停留位置，從而降低水的空化強(qiáng)度。涂層的存在可以在空化氣泡的破裂產(chǎn)生沖擊波時(shí)，作為阻尼器吸收空化噪聲的能量，從而降低噪音水平。

2.3 槳轂的改造

在螺旋槳槳轂上安裝螺旋槳輪轂蓋鰭（PBCF）能有效提高螺旋槳的性能。PBCF 的主要功能，是改善螺旋槳的性能特點(diǎn)，最大限度地減少輪轂渦和由此產(chǎn)生的舵空泡。當(dāng)前，PBCF 已被作為減小氣穴現(xiàn)象、降低水下噪聲的一種技術(shù)，它還可以幫助減少樞紐渦流；PBCF 由一系列的鰭組成(鰭的數(shù)量通常等于螺旋槳葉片的數(shù)量)，這些鰭安裝在輪轂蓋上，PBCF 作為后渦流附加物，通過減少輪轂渦提高螺旋槳效率；Kurt Mizzi 等人[3]通過分析120 種不同的 PBCF 設(shè)計(jì)后，采用準(zhǔn)隨機(jī)批處理方法和優(yōu)化算法，確定了一種特定的PBCF 設(shè)計(jì)，其與沒有 PBCF 的螺旋槳相比，敞水效率提高了1.3%。然而，這并不意味著這種特殊的設(shè)計(jì)對(duì)所有情況都是最佳的，每種船型和螺旋槳都會(huì)導(dǎo)致不同的船流模式，因此需要量身定制最佳模型，具體情況具體分析。

2.4 導(dǎo)管螺旋槳

將套筒導(dǎo)管裝在螺旋槳的外圈上，機(jī)翼型的導(dǎo)管縱切面安裝在船尾下面，將其與殼體形成一個(gè)統(tǒng)一的流線型體，這種形式稱為導(dǎo)管螺旋槳。導(dǎo)管分為兩類：加速導(dǎo)管和減速導(dǎo)管。加速導(dǎo)管本身產(chǎn)生推力，使螺旋槳附近周圍的水流加速，加快水下航行器的前進(jìn)速度；減速導(dǎo)管會(huì)產(chǎn)生推延螺旋槳的空泡極限，從而降低螺旋槳周圍的水流速度，并降低葉梢所產(chǎn)生的噪音，多用于軍用艦艇上。

Stefano Gaggero[4]等人利用商用RANS 解算器結(jié)合Schnerr-Sauer 空化模型，分別預(yù)測(cè)常規(guī)螺旋槳和雙導(dǎo)管螺旋槳葉尖和葉尖泄漏渦空化的能力，將常規(guī)螺旋槳與導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明導(dǎo)管螺旋槳的前緣空泡的空泡尖渦表現(xiàn)比常規(guī)螺旋槳穩(wěn)定，減噪效果更明顯；張力為[5]利用STAR-CCM+軟件，通過建模模擬導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能，基于RANS、扇聲源法和脈沖球形氣泡理論，將導(dǎo)管螺旋槳中無(wú)空化負(fù)載噪聲和空化負(fù)載噪聲進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者比后者噪聲小，可見發(fā)生空化后空化輻射噪聲成為導(dǎo)管螺旋槳的主要噪聲源。在此基礎(chǔ)上，將大渦模擬方法與空化模型相結(jié)合，研究螺旋槳在六種不同類型的管道中工作時(shí)所產(chǎn)生的噪聲和推力的變化規(guī)律，可得出最佳的降噪效果的導(dǎo)管組合。

3 螺旋槳幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 螺旋槳葉片

（1）葉片數(shù)

目前較多國(guó)家采用的是七葉大側(cè)斜的螺旋槳。學(xué)者們通過研究發(fā)現(xiàn)，增加螺旋槳葉片的數(shù)量可以使水下葉片上的推力減少，從而延緩空泡的產(chǎn)生，達(dá)到降噪的目的。

（2）盤面比

合理的螺旋槳盤面比，能有效的處理空泡和振動(dòng)問題。常規(guī)高效的螺旋槳，一般具有較小的盤面比和較少的葉片數(shù)，但這些螺旋槳不能很好地處理空泡、尾部振動(dòng)和噪聲問題；提高盤面比，可以降低葉片表面單位面積載荷，有利于減小空化；增加葉片數(shù)，可以減小螺旋槳對(duì)殼體表面的誘導(dǎo)壓力，有利于船尾振動(dòng)和降低噪聲輻射。然而，葉片數(shù)和盤面比的增加，會(huì)使相鄰葉片之間的相互作用增強(qiáng)，流體通過螺旋槳盤面的能力減弱，這可能導(dǎo)致在一定程度上降低效率。因此，為了減少葉片間相互作用對(duì)效率的影響，姚等人[6]提出將原來分布在一個(gè)平面上的葉片放置在兩個(gè)不同的平面上，從而大大減少了每個(gè)平面上的盤面積和葉片數(shù)，這樣既可以提高效率，又保留了傳統(tǒng)螺旋槳葉片多、盤比大的優(yōu)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)被稱為串聯(lián)螺旋槳。與傳統(tǒng)螺旋槳相比，串聯(lián)式螺旋槳雖然存在軸長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)重、制造成本高等缺點(diǎn)，但它能減少由螺旋槳感應(yīng)壓力引起的嚴(yán)重的尾部結(jié)構(gòu)振動(dòng)；新型鴨式串聯(lián)螺旋槳，在綜合處理效率、空泡、振動(dòng)和噪聲等方面比傳統(tǒng)的盤比大、葉片數(shù)多的螺旋槳具有更大的優(yōu)勢(shì)；學(xué)者們通過進(jìn)行大量的數(shù)值模擬，研究了直徑比、葉片相位角和軸向距離對(duì)串列螺旋槳敞水性能的影響，并對(duì)新型鴨式串列螺旋槳(d/D =0.9，θ=60°)和傳統(tǒng)串列螺旋槳的性能進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)使用鴨式串聯(lián)螺旋槳，在螺旋槳與尾柱之間較大距離時(shí)能有效減小螺旋槳對(duì)殼體表面的誘導(dǎo)壓力，串列螺旋槳在綜合處理效率、空泡、振動(dòng)和噪聲等方面比傳統(tǒng)的盤比大、葉片數(shù)多的螺旋槳具有更大的優(yōu)勢(shì)和潛力。

3.2 螺旋槳的偏斜角

螺旋槳的水下輻射噪聲，可分為非空化噪聲和空化噪聲兩部分。通過改變螺旋槳的偏斜角度，可以改變螺旋槳尖端渦旋結(jié)構(gòu)，改變?nèi)~片間的干擾，從而改變螺旋槳的空化。Ramakrishna V 等人[7]通過研究在一定航速下改變螺旋槳傾斜角度，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析方法研究大渦模擬(LES)的渦粘性模型，發(fā)現(xiàn)傾斜角度為+15°的螺旋槳空化噪聲最??；此外，學(xué)者們利用混合計(jì)算水聲法（CHA）定量評(píng)估了兩個(gè)分別為17°和38°的偏斜螺旋槳對(duì)槳葉尖渦流空化（TVC）現(xiàn)象和噪聲的影響，其數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有較高傾斜角的螺旋槳會(huì)引起較弱的TVC，從而產(chǎn)生較少的流動(dòng)噪聲；胡等人[8]進(jìn)一步減小網(wǎng)格尺寸以準(zhǔn)確捕獲尖端渦流區(qū)域，通過研究尖端渦旋卷起和折返射流，發(fā)現(xiàn)隨著偏斜角的增加，螺旋槳的空化尖端渦旋的卷起將加強(qiáng)，并且在進(jìn)速系數(shù)J=0.71 和0.77 下，增加的偏斜角度改善空化現(xiàn)象后會(huì)導(dǎo)致前沿附近出現(xiàn)無(wú)氣穴區(qū)，表明較大的偏斜角有利于減小螺旋槳整體空化現(xiàn)象，達(dá)到降噪的目的；當(dāng)空化量較小時(shí)，增加螺旋槳的偏斜角不會(huì)改善螺旋槳的性能，因此螺旋槳的偏斜量需要與其他參數(shù)相適應(yīng)，才會(huì)達(dá)到最佳降噪效果。

3.3 螺旋槳的翼型

改變螺旋槳的翼型可以減少梢渦，達(dá)到降低噪聲的目的。華等人[9]運(yùn)用渦動(dòng)力學(xué)原理對(duì)翼型的鋸齒狀葉梢螺旋槳開展了減振去噪等特性的研究，并發(fā)現(xiàn)在高負(fù)荷時(shí)鋸齒狀葉梢螺旋槳能減少周期性簡(jiǎn)諧振動(dòng)和噪音，提高轉(zhuǎn)動(dòng)效率；舒等人[10]在研究利用扭轉(zhuǎn)葉片改善螺旋槳翼型，以改善螺旋槳在水下旋轉(zhuǎn)時(shí)流體流經(jīng)槳葉的運(yùn)動(dòng)狀況，結(jié)果得出在某一角度區(qū)域內(nèi)水的動(dòng)力特性較好，若在此區(qū)域內(nèi)適當(dāng)降低角度，通過進(jìn)行精確的數(shù)值模擬，就有機(jī)會(huì)得出較理想的螺旋槳翼形；此外，國(guó)外學(xué)者提出三維流動(dòng)分離模型，將平板法應(yīng)用于后緣鈍化的螺旋槳，通過測(cè)試三種不同類型的襟翼運(yùn)動(dòng)，在葉片尾緣增加襟翼改善福伊特-施奈德驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水動(dòng)力性能等例子，表現(xiàn)出翼型在螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)上的潛力。

4 總結(jié)

螺旋槳降噪技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)開展較多，很多技術(shù)已日趨成熟并應(yīng)用于實(shí)踐上。但由于聲波技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)螺旋槳降噪技術(shù)提出了更高要求，且很多降噪技術(shù)僅實(shí)現(xiàn)在建模分析上，具體能否應(yīng)用于實(shí)踐無(wú)法得知。最近幾年國(guó)家對(duì)于海洋軍事的重視讓人們看到了希望，螺旋槳降噪技術(shù)作為船舶行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一，已得到較多應(yīng)用，國(guó)外理論設(shè)計(jì)和實(shí)踐應(yīng)用基本成熟，而國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，在水下航行器降噪方面研究的技術(shù)和應(yīng)用較少。

基于上述考慮，今后螺旋槳降噪技術(shù)研究工作，大致可分為以下3 個(gè)方面：

（1） 將國(guó)內(nèi)降噪技術(shù)理念系統(tǒng)化、規(guī)范化;

（2） 開發(fā)實(shí)用的噪聲預(yù)報(bào)評(píng)估手段;

（3） 加大創(chuàng)新力度，繼續(xù)發(fā)展和完善降噪技術(shù)研究。