水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲機理與預(yù)報方法*

曾 賽 杜選民 范 威

(1 水聲對抗技術(shù)重點實驗室 上海 201108)

(2 上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108)

0 引言

對轉(zhuǎn)螺旋槳是指分別安裝在具有相同軸心的外軸和內(nèi)軸上、正反轉(zhuǎn)動的一對推進(jìn)裝置，由于其具有可減輕槳葉推進(jìn)載荷、提高推進(jìn)效率、消除扭矩等突出優(yōu)點[1-2]，被廣泛用于航空、航海領(lǐng)域，如對轉(zhuǎn)翼飛機、魚雷、潛艇、油輪、商船、UUV 等，表1給出了采用對轉(zhuǎn)螺旋槳作為推進(jìn)器的典型航行體。

表1 采用對轉(zhuǎn)槳作為推進(jìn)器的典型航行體Table 1 Typical vehicles which use counterrotation propeller

隨著對平臺舒適性、隱身性、探測識別需求的不斷增加，對轉(zhuǎn)螺旋槳輻射噪聲在航空和航海領(lǐng)域得到高度關(guān)注[3]。事實上，對于對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲的研究具有非常廣泛的工程背景需要，并且自20世紀(jì)20年代螺旋槳聲學(xué)[4]建立開始便一直是研究的熱點之一。對轉(zhuǎn)螺旋槳噪聲本質(zhì)上是流致噪聲，是由槳葉與附近的流體相互作用引起[5]，從能量守恒的角度而言，對轉(zhuǎn)螺旋槳的部分動能以聲能的形式輻射到介質(zhì)中形成輻射噪聲，對轉(zhuǎn)螺旋槳輻射噪聲的研究是伴隨著流致噪聲的研究而展開的。從20 世紀(jì)初開始，流致噪聲的機理、預(yù)報與控制研究活躍至今并取得巨大進(jìn)步，最具代表性的是Lighthill[6]氣動聲學(xué)理論的建立，作為獨立的學(xué)科分支，氣動聲學(xué)無論在理論還是實踐應(yīng)用上均取得了豐碩成果。

航海領(lǐng)域中的“水動力聲學(xué)”與航空領(lǐng)域中的“氣動聲學(xué)”存在介質(zhì)上的巨大差異，且研究起步較晚，雖然氣動聲學(xué)的研究方法可以移植到航海領(lǐng)域，但二者的研究重點與噪聲特性存在顯著不同。本文擬嘗試以流致噪聲發(fā)聲機制作為依托綜述水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的流致噪聲機制與預(yù)報方法，為水下航行體的目標(biāo)探測與識別提供支撐。

1 水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲機制

水下對轉(zhuǎn)螺旋槳是典型的旋轉(zhuǎn)機械，對轉(zhuǎn)槳工作時，前后槳旋轉(zhuǎn)方向相反，使得附近流場非常復(fù)雜，其輻射噪聲主要由附近流體與槳葉相互作用而形成。此相互作用可以概括為：非均勻進(jìn)流與前槳導(dǎo)邊相互作用、槳葉面附近大尺度渦對槳葉非定常誘導(dǎo)力作用、前槳葉面二次非定常流對后槳作用、后槳抽吸作用形成的非定常壓力場與前槳相互作用、前槳梢渦脫落與后槳導(dǎo)邊相互作用、前槳隨邊尾渦脫落與后槳導(dǎo)邊相互作用、前槳槳轂尾渦及邊界層流與后槳相互作用[5]，文獻(xiàn)[5]將上述作用分為兩種效應(yīng)，即前后槳干涉效應(yīng)和諧波流場效應(yīng)，如圖1所示，為前后槳干涉效應(yīng)的示意圖。從流致發(fā)聲的角度來看，流場與結(jié)構(gòu)之間的相互作用是水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致發(fā)聲的根本原因。本文從3 個角度對水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致噪聲產(chǎn)生機制與研究進(jìn)展展開綜述，即由運動壁面影響的湍流噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲和水動力空化噪聲。

圖1 對轉(zhuǎn)槳干涉效應(yīng)示意圖Fig.1 The interference effect of counter-rotation propellers

1.1 運動壁面影響的湍流噪聲

水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的湍流脈動是其主要水動力噪聲源之一，如何在水下對轉(zhuǎn)螺旋槳復(fù)雜的流場中準(zhǔn)確描述其聲源是湍流噪聲預(yù)報的關(guān)鍵問題。水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的運動屬于低馬赫數(shù)運動，在低馬赫數(shù)下，自由流場中的湍流聲輻射效率非常低，在遠(yuǎn)場條件下可以忽略不計，而在非自由場中，壁面的存在可以大幅增加流體發(fā)聲的效率[7]，主要表現(xiàn)在：首先壁面(對轉(zhuǎn)螺旋槳的隨邊)的存在會有渦脫落現(xiàn)象，這會產(chǎn)生或者增強輻射特性；其次，壁面的邊界層分離也會產(chǎn)生或者增強輻射特性；再者，壁面的存在會對已經(jīng)形成的輻射噪聲產(chǎn)生反射效應(yīng)，而且壁面附近的湍流導(dǎo)致流動非均勻性會提高流聲轉(zhuǎn)換效率[8]。

將水下對轉(zhuǎn)螺旋槳槳葉的湍流邊界層作為輻射聲源時，需要準(zhǔn)確地模擬邊界層上的湍動壓力。事實上，邊界層湍動壓力的建模一直是計算流體力學(xué)領(lǐng)域的熱點與難點[9]。對湍動壓力建模的思路通常借鑒聲類比理論。Lighthill聲類比理論[6]是描述流體發(fā)聲的基本理論，其表明流動中的速度脈動、粘性應(yīng)力和熵波動之間的非線性相互作用產(chǎn)生的非定常流會導(dǎo)致流體密度擾動，從而產(chǎn)生輻射聲源。然而Lighthill 聲類比理論最初的形式不適合有固體邊界存在時的流體發(fā)聲問題，Curle[10]考慮到了壁面存在對湍流噪聲的影響，利用自由場格林函數(shù)給出了壁面邊界影響的湍流輻射噪聲Curle 解。事實上，Curle 方程能夠從機理上解釋水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的湍流發(fā)聲機制，是研究壁面存在時流致噪聲預(yù)報的基礎(chǔ)，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳工作時，其壁面屬于運動壁面，對壁面邊界運動時的流致噪聲預(yù)報具有重要的理論與工程意義。最具啟發(fā)意義的工作來自于Lowson[11]，其首先研究了自由場中運動奇點的輻射聲場特性，該工作具有一般性，因為奇點可以表征為單極子、偶極子或四極子。隨后Lowson 等[12-13]將成果應(yīng)用于工程問題的解決之中并取得較好效果。利用廣義函數(shù)法將Curle 方程解形式推廣即得到了FW-H 方程[14-15]，該方程從理論上表明運動壁面邊界附近的聲源由四極子(湍流應(yīng)力)、偶極子(脈動壓力)和單極子(位移)組成，由于FW-H 方程具有鮮明的物理意義，因此得到了廣泛的應(yīng)用[16]。事實上，作為傳聲介質(zhì)的流體自身運動也會對流致聲輻射產(chǎn)生影響，將廣義格林函數(shù)應(yīng)用于Lighthill方程即得到Goldstein 方程[17-18]，該方程將運動介質(zhì)和運動壁面因素考慮進(jìn)來，能夠全面客觀地對運動壁面流致發(fā)聲問題進(jìn)行描述，Curle 方程以及FW-H 方程均是該方程的特殊形式。正是由于Goldstein方程具有物理意義鮮明、約束條件少的優(yōu)點，其廣泛應(yīng)用于流致噪聲的預(yù)報之中，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的流致噪聲預(yù)報亦基于該理論[5,19]。

水下對轉(zhuǎn)螺旋槳運動槳葉壁面的湍流邊界層脈動壓力亦是重要的近場輻射聲源，事實上，湍流邊界層中的脈動壓力預(yù)報一直是流致輻射噪聲研究的重點。由于湍流的復(fù)雜性，湍流邊界層中的脈動壓力很難通過數(shù)值積分得到，這就限制了Curle方程的應(yīng)用。為了明確湍流邊界層脈動壓力的聲源屬性，Powell[20]將法向速度梯度格林函數(shù)應(yīng)用于Lighthill 方程變形，研究表明湍流邊界層中的法向脈動壓力屬于四極子屬性，即Lighthill 應(yīng)力，而切向的脈動壓力數(shù)據(jù)偶極子屬性，也就是說，在湍流邊界層脈動壓力中，切向的脈動壓力才是主要輻射聲源，然而關(guān)于切向脈動壓力是否為有效聲源，在學(xué)術(shù)界卻一直存在爭議[21-23]，焦點在于湍流邊界層脈動壓力是直接輻射聲源還是由其激勵彈性結(jié)構(gòu)形成的二次聲源。事實上，這涉及到如何理解與應(yīng)用Lighthill聲類比理論的問題。在湍流邊界層脈動壓力的預(yù)報中，另一個重要的問題是湍流邊界層脈動壓力的描述，大量的學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究[24-32]，通用的方法是利用統(tǒng)計湍流理論，采用脈動壓力——波數(shù)譜定量描述湍流中的時空隨機脈動，該理論的基礎(chǔ)來自于試驗數(shù)據(jù)的支撐[32]。

水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的槳葉在運動時會伴隨有渦的脫落，脫落渦的能量來自于槳葉動能，有規(guī)律和節(jié)奏的渦脫落會誘導(dǎo)產(chǎn)生聲源，是水下對轉(zhuǎn)螺旋槳湍流噪聲的一部分。關(guān)于渦的產(chǎn)生、發(fā)放與估計在流體力學(xué)中研究廣泛，而關(guān)于渦聲輻射研究較少，奠基性的工作來自于Phillips[33]，其將渦聲輻射聲強表征為其橫向尺度與縱向尺度函數(shù)，并通過試驗驗證了理論模型。此后，Ross[34]發(fā)展了Phillips 的工作并給出了渦聲轉(zhuǎn)換效率表達(dá)式。Powell則針對等熵流動建立了渦聲理論，渦聲理論表明流體中的聲波產(chǎn)生與其中的渦、勢流以及二者的相互作用有關(guān)，聲輻射是通過非線性相互作用完成的。此后，許多學(xué)者在渦聲理論進(jìn)行了大量的工作[35]。渦聲理論為水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的流致尾渦發(fā)聲提供了預(yù)報理論依據(jù)。但需要注意的是，渦聲理論由于方程的非線性，尚無法與具有重大工程應(yīng)用價值的聲類比理論相比。

1.2 旋轉(zhuǎn)噪聲

水下對轉(zhuǎn)螺旋槳屬于典型的旋轉(zhuǎn)機械，與氣動聲學(xué)領(lǐng)域中的旋翼類似，其發(fā)聲均屬于旋轉(zhuǎn)噪聲研究范疇，雖然從發(fā)聲本質(zhì)上來講，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)噪聲屬于運動壁面的湍流噪聲，但考慮到旋轉(zhuǎn)噪聲具有鮮明的工程背景，且工程界有針對性地進(jìn)行了大量的研究，因此對其旋轉(zhuǎn)噪聲預(yù)報方法進(jìn)行總結(jié)。

正如1.1 節(jié)分析，在水介質(zhì)中的對轉(zhuǎn)螺旋槳運動均屬于低馬赫數(shù)運動，在聲遠(yuǎn)場條件下，考慮到四極子的輻射效率在低馬赫數(shù)下非常低，因此在工程預(yù)報中通常可以忽略四極子效應(yīng)。此時，在非空化條件下，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳槳葉壁面的湍流邊界層脈動壓力呈現(xiàn)偶極子屬性，輻射效率最高，是主要輻射聲源。在空化條件下，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳槳葉附近的空泡是主要輻射聲源，將在1.3節(jié)中進(jìn)行闡述。水下對轉(zhuǎn)螺旋槳旋轉(zhuǎn)噪聲本質(zhì)上是由前后槳相互干涉引起[5]，類似于轉(zhuǎn)子-定子的相互作用，事實上，二者在發(fā)聲機制上沒有本質(zhì)的區(qū)別。在轉(zhuǎn)子-定子的發(fā)聲機制上，國外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[36-40]，研究表明轉(zhuǎn)子-定子機構(gòu)的相互作用可以用勢流作用和粘性作用來描述，其中粘性作用是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子-定子機構(gòu)發(fā)聲的原因，即轉(zhuǎn)子的粘性尾流沖擊定子葉片形成寬帶噪聲譜。Hanson[40]的研究則表明，轉(zhuǎn)子-定子機構(gòu)的布置順序不影響寬帶噪聲譜特征?；趶V泛的工程學(xué)背景，轉(zhuǎn)子-定子更精確的發(fā)聲特性被發(fā)現(xiàn)，如低頻線譜形成、管道對轉(zhuǎn)子- 定子聲輻射影響以及轉(zhuǎn)子-定子幾何參數(shù)對于聲輻射特性的影響等[41-44]。

水下對轉(zhuǎn)螺旋槳旋轉(zhuǎn)噪聲的分析思路與轉(zhuǎn)子-定子機構(gòu)噪聲分析基本一致，理論上借鑒簡化形式下的Goldstein 方程——FW-H 方程。以非空化工況為例，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳輻射噪聲的預(yù)報思路[45]是：首先通過計算流體力學(xué)方法(Computational fluid dynamics,CFD)獲取前后槳葉上的非定常力，然后將非定常力作為聲源項代入FW-H 方程右端，利用Kirchhoff方法求得水下對轉(zhuǎn)螺旋槳非空化遠(yuǎn)場輻射聲壓。在該思路中，相互作用下前后槳葉上的非定常力預(yù)報成為關(guān)鍵。事實上，學(xué)術(shù)界和工程界對于螺旋槳旋轉(zhuǎn)噪聲的預(yù)報均采用這種思路，代表性的工作來自于朱錫清等[19,46-47]，他們用這種方法分別建立了單槳和對轉(zhuǎn)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)噪聲預(yù)報模型，前期的考慮是將螺旋槳載荷的諧波系數(shù)作為計算輻射聲源的依據(jù)，此后又采用升力面理論得到槳葉表面的非定常力作為聲源，相比之下提高了聲源提取的精度，據(jù)此分析了螺旋槳固有的幾何參數(shù)對于旋轉(zhuǎn)噪聲的影響?；谶M(jìn)一步提高槳葉表面非定常力提取精度的考慮，面元法被用于提取槳葉表面的非定常力[48]。時域FW-H 方程雖然方便進(jìn)行數(shù)值解析，但存在物理意義不明確的缺點，這對于解釋螺旋槳輻射噪聲產(chǎn)生的原因不利，基于此，Hanson[49]通過對時域FW-H 方程進(jìn)行傅里葉變換得到了頻域內(nèi)螺旋槳輻射噪聲計算公式，并且推導(dǎo)得到了航空對轉(zhuǎn)螺旋槳輻射噪聲頻域預(yù)報公式。Hanson公式具有非常明確的物理意義，能夠在公式中定性分析螺旋槳幾何參數(shù)對于輻射噪聲的影響[50]。國內(nèi)學(xué)者正是基于Hanson 的思想，給出了螺旋槳槳葉非定常力源在頻域中的處理方法，并針對水下對轉(zhuǎn)螺旋槳進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)噪聲預(yù)報[5,19,51]。

1.3 對轉(zhuǎn)槳空化噪聲

對于水下對轉(zhuǎn)螺旋槳而言，空化噪聲是非常重要的噪聲源，一旦出現(xiàn)空化，空化噪聲往往會占據(jù)統(tǒng)治地位。對轉(zhuǎn)螺旋槳的空化噪聲來源于槳葉附近空化泡的生成與潰滅，空化泡的潰滅會產(chǎn)生高速射流不斷沖擊槳葉壁面形成空蝕，由此發(fā)出強烈的輻射噪聲，空蝕噪聲一方面來源于空泡的破裂，另一方面來源于槳葉壁面的聲反射效應(yīng)?？栈莸纳膳c潰滅會引起槳葉表面的流體體積變化，從聲類比的角度而言屬于單極子屬性。

對轉(zhuǎn)螺旋槳的空化噪聲本質(zhì)上屬于水動力空化噪聲，對于水動力空化噪聲的研究具有重要的理論與工程意義。國內(nèi)外學(xué)者對于空化噪聲從理論和試驗的角度進(jìn)行了大量的研究。最早的嘗試來自于Reyleigh[52]，但其建立的理想球形空泡運動方程無法描述很小半徑的空泡潰滅過程，此后，Plesset 等[53]、Noltingk 等[54]、GilmoreI[55]修正了理想球形氣泡模型。進(jìn)一步的研究來自于Benjiamin 等[56]，其建立了非球形空泡的運動控制模型，但該模型對于大變形的空泡無法準(zhǔn)確描述。

對于水動力空化噪聲更具有工程意義的研究是對于有壁面影響的空泡潰滅噪聲進(jìn)行研究。然而由于問題的復(fù)雜性，尚沒有對于該問題的解析理論。常用的方法主要是數(shù)值計算方法[57-60]。水下對轉(zhuǎn)螺旋槳空化噪聲屬于典型的有壁面影響的空化噪聲，國內(nèi)學(xué)者王順杰等[51]嘗試使用聲類比理論建立水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的空化噪聲模型，基本的考慮是將Goldstein 方程右邊的四極子和偶極子源項忽略，將空泡簡化為單極子模型，通過求解簡化的Goldstein 方程給出對轉(zhuǎn)螺旋槳空化噪聲解。分析表明，在空化狀態(tài)下，線譜幅度與寬帶噪聲幅度差別減小，空化噪聲整體噪聲級提升。曾賽等[61]通過空泡水筒試驗測量了對轉(zhuǎn)螺旋槳的空化噪聲，并觀察了空泡形成的過程。許多新的手段也被用于空泡噪聲形成機制的研究，如電解泡、火花泡、激光泡以及聲全息照相技術(shù)等[62-67]。

1.4 水下對轉(zhuǎn)槳流致噪聲預(yù)報方法

1.1～1.3 節(jié)綜述了水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲預(yù)報的進(jìn)展，無論是湍流噪聲、旋轉(zhuǎn)噪聲還是空化噪聲，建立流致輻射聲源項是關(guān)鍵，聲源的提取與計算主要有3 種方法，即聲類比理論[68]、Kirchhoff理論[69]和渦聲理論[70]。3種方法的比較如表2所示。

表2 聲類比理論、Kirchhoff理論和渦聲理論比較Table 2 Comparison of acoustic analogy,Kirchhoffmethod and vortices-induced noise theory

2 水下對轉(zhuǎn)槳流致噪聲數(shù)值預(yù)報方法

2.1 對轉(zhuǎn)槳流致噪聲數(shù)值預(yù)報的難點

數(shù)值計算方法是對水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲進(jìn)行預(yù)報的重要方法，得益于計算機計算能力的飛速發(fā)展，對流場進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值模擬成為可能，這就為聲源項的提取提供了有力的方法。考慮到流場與聲場的量級差別，對轉(zhuǎn)螺旋槳流致噪聲的數(shù)值預(yù)報面臨著許多難點[82]，主要表現(xiàn)在：

(1)非線性效應(yīng)影響。對轉(zhuǎn)螺旋槳的流致輻射噪聲是非線性、非穩(wěn)態(tài)的過程，依賴于N-S方程的流場預(yù)報通常是非線性的，而聲傳播的過程則無需考慮非線性，如何將這種線性與非線性問題統(tǒng)一進(jìn)行考慮是需要解決的難點。

(2)流動能量與聲能量之間的量級差別巨大。通常流體動能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于的聲能量，導(dǎo)致聲場的幅度遠(yuǎn)小于湍流脈動的幅度，在數(shù)值計算值中要保證聲場的計算精度則需要數(shù)值誤差小于聲場幅度，這對于計算資源形成了巨大的挑戰(zhàn)。

(3)計算噪聲的帶寬選擇。非定常流場模擬的步長決定了聲場頻率的分辨率，如果需要計算寬帶噪聲，則需要足夠小的時間步長，這對于數(shù)值模擬資源形成巨大的挑戰(zhàn)。

(4)聲場與流場的傳輸特性差異[83]。流場中的聲輻射傳播具有各向同性，無色散、無耗散，而流場中的渦傳播則是高色散、高耗散的，且數(shù)值模擬的流場也是色散的，這樣就無法保證聲場計算的精度，需要專門的色散保持方法解決該問題。

(5)邊界條件的選擇[84]。數(shù)值計算的有限區(qū)域與流致發(fā)聲的無邊界區(qū)域存在矛盾，通常需要在人工區(qū)域的邊界上賦予邊界條件，但邊界條件導(dǎo)致的虛假數(shù)值反射誤差與聲場能量處于同一量級，使得數(shù)值預(yù)報的聲場缺乏精度，因此通常需要采用無反射邊界條件。

事實上，上述數(shù)值計算困難是氣動聲學(xué)與流體聲學(xué)共同面臨的難點[85]，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致噪聲的數(shù)值模擬方法完全可以借鑒氣動聲學(xué)領(lǐng)域成功的經(jīng)驗。

2.2 直接數(shù)值預(yù)報方法

所謂直接數(shù)值預(yù)報方法(Direct numerical simulation,DNS)是指利用N-S 方程直接求解水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的流場與聲場。直接預(yù)報方法的突出優(yōu)點是其不受流動狀態(tài)以及聲源屬性的限制，能夠直接給出流致噪聲的產(chǎn)生與傳播特性，特別適合模擬寬頻段的流致輻射噪聲。但需要注意的是直接數(shù)值模擬需要考慮流場的所有湍流尺度，而聲場與流場的能級差別巨大，如何從流場中提取出聲場脈動是一個巨大的挑戰(zhàn)。直接數(shù)值模擬方法在低馬赫數(shù)時難以給出遠(yuǎn)場聲輻射計算結(jié)果，計算資源受到極大的制約。事實上，直接數(shù)值模擬只在氣動聲學(xué)這一類高馬赫數(shù)工況下取得了成功[86-88]。可以設(shè)想，采用直接數(shù)值模擬方法求解水下對轉(zhuǎn)螺旋槳這一類低馬赫數(shù)旋轉(zhuǎn)機械的流致噪聲會面臨巨大的困難。

為了避免直接數(shù)值模擬的困難，工程中一個折衷的辦法是采用大渦模擬方法(Large eddy simulation,LES)對流致噪聲進(jìn)行數(shù)值求解，該方法較好地平衡了計算成本與收益[89]。但需要注意采用低色散、低耗散、高精度的數(shù)值格式和低耗散、高精度的亞格子模型，還需要確保所畫網(wǎng)格分辨率能夠分辨所有頻率的輻射聲波[90-91]。

綜上所述，采用直接數(shù)值預(yù)報方法模擬水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲的一般過程可以概述為：首先使用直接數(shù)值模擬或大渦模擬方法求解對轉(zhuǎn)螺旋槳近場流場，然后在遠(yuǎn)場劃分一定精度的網(wǎng)格，在近場與遠(yuǎn)場的邊界上給出無反射邊界條件，使用簡化的線性控制方程求解遠(yuǎn)場輻射聲場。一般而言，只要流場計算得足夠精確，那么遠(yuǎn)場聲輻射的計算結(jié)果便是可信的。

2.3 間接數(shù)值預(yù)報方法

所謂間接數(shù)值模擬方法，是指將流場與聲場的計算分開，忽略流場與聲場的耦合性，先進(jìn)行流場的模擬，然后進(jìn)行聲場的模擬。聲類比理論和Kirchhoff理論為間接數(shù)值預(yù)報方法奠定了理論基礎(chǔ)。按照聲類比理論的觀點，只需要在流場中找到聲源項便可以進(jìn)行輻射噪聲的模擬，聲源項是先驗的，只需要精確地模擬流場，提取出聲源項便可以使用古典波動聲學(xué)預(yù)報流致輻射聲場[92-93]。從這個角度而言，間接數(shù)值預(yù)報方法具有重要的工程應(yīng)用價值。

由于水下對轉(zhuǎn)螺旋槳工作的介質(zhì)為低馬赫不可壓縮流體，流體的慣性特征占據(jù)主要位置，可以忽略流場對聲場的影響，近場流場的計算可以采用不可壓縮流場控制方程預(yù)報，因此特別適合聲類比理論進(jìn)行流致輻射聲場的預(yù)報[94]。事實上，國內(nèi)很多學(xué)者利用聲類比理論間接數(shù)值預(yù)報方法對水下對轉(zhuǎn)螺旋的流致輻射噪聲進(jìn)行了預(yù)報，代表性的工作來自于朱錫清等[19,46-47]，其利用升力面理論預(yù)報了流場中對轉(zhuǎn)螺旋槳的脈動壓力，以此作為聲源項給出了水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的遠(yuǎn)場聲輻射特性，并通過試驗驗證了數(shù)值計算結(jié)果。王順杰等[51]則利用CFD 方法模擬了流場中的脈動壓力，并通過FW-H 方程計算了對轉(zhuǎn)螺旋槳的近場輻射噪聲。曾賽等[45]則利用耦合數(shù)值方法預(yù)報了水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的無空化線譜輻射噪聲。常欣等[95]亦利用耦合數(shù)值方法分析了對轉(zhuǎn)螺旋槳幾何參數(shù)對于無空化輻射噪聲的影響。王順杰等[96]研究了片空化對于對轉(zhuǎn)螺旋槳空化噪聲的影響。此外，國內(nèi)外學(xué)者基于間接數(shù)值預(yù)報方法各種旋翼以及水下航行體流致噪聲進(jìn)行了研究[97-103]，為實際的工程問題解決提供了參考。

3 結(jié)論

水下對轉(zhuǎn)螺旋槳廣泛用于各種水下與水面航行體，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致噪聲產(chǎn)生機制以及預(yù)報方法的研究對于水下/水面目標(biāo)的特性分析以及探測識別具有重要的意義。本文對水下對轉(zhuǎn)螺旋的流致輻射噪聲產(chǎn)生機制以及預(yù)報方法進(jìn)行了綜述。水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的流致輻射噪聲本質(zhì)屬于水動力噪聲，可以借鑒氣動噪聲的研究方法，但需要注意介質(zhì)屬性的不同會導(dǎo)致水動力噪聲與氣動噪聲的研究側(cè)重點不同。聲類比理論、Kirchhoff理論和渦聲理論能夠較好地解釋水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的流致輻射噪聲的形成機制。數(shù)值模擬是進(jìn)行水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲預(yù)報的有效方法，但直接數(shù)值模擬會存在計算效率與成本不匹配的缺點，基于聲類比理論的間接數(shù)值模擬方法是工程預(yù)報水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲的可行方法，但需要注意流場模擬的精度直接影響輻射聲場的模擬。盡管如此，水下對轉(zhuǎn)螺旋槳流致輻射噪聲的預(yù)報仍然面臨許多問題，如發(fā)聲機制有待進(jìn)一步深入研究、數(shù)值計算精度有待提高、計算效率有待提高、噪聲源項對于整體輻射聲場貢獻(xiàn)的區(qū)分以及本征聲特征量的提取等。需要緊跟當(dāng)下水動力噪聲預(yù)報最新進(jìn)展，發(fā)展水下對轉(zhuǎn)螺旋槳的流致輻射噪聲預(yù)報理論和數(shù)值計算方法。