螺旋槳中的流動(dòng)噪聲問(wèn)題

吳佳峰，黃 迅

(1. 北京大學(xué) 工學(xué)院 航空航天工程系，北京 100871；2. 北京大學(xué) 湍流與復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

0 引 言

20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，螺旋槳噪聲作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、水下航行體和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等應(yīng)用中的重點(diǎn)問(wèn)題，受到各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。除了影響乘客舒適性，螺旋槳噪聲還會(huì)對(duì)軍用飛行器和潛艇的聲隱身性帶來(lái)負(fù)面影響。隨著我國(guó)國(guó)防重大裝備需求的不斷提升，以及民用飛機(jī)發(fā)展乃至下一代綠色環(huán)保飛行器等需求的提出，對(duì)螺旋槳噪聲源、噪聲源與機(jī)體流動(dòng)耦合、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的機(jī)理進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，成了迫在眉睫的問(wèn)題。

空氣中的螺旋槳噪聲問(wèn)題屬于氣動(dòng)聲學(xué)的研究范疇。如果考慮水下的噪聲問(wèn)題，學(xué)界更普遍地將其稱為流動(dòng)噪聲或者流致噪聲。盡管空氣和水的可壓縮性和黏性存在很大不同，使得這兩種介質(zhì)中，無(wú)論是各噪聲源的種類和聲壓級(jí)大小，還是噪聲的產(chǎn)生和輻射機(jī)理，都有一定區(qū)別，但是對(duì)于水下的無(wú)空泡情況，所用的基本研究方法和工具還是源于氣動(dòng)聲學(xué)。

流動(dòng)噪聲的研究工作可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前后，南安普頓大學(xué)的Lilley 對(duì)射流噪聲的研究[1]。不過(guò)學(xué)界普遍以Lighthill 在1952 年研究射流噪聲時(shí)，提出的聲比擬思想作為氣動(dòng)聲學(xué)的起源標(biāo)志[2]。該方法的基本思想是從流體力學(xué)著名的Navier-Stokes 方程出發(fā)，將方程左端重組為波動(dòng)方程，右端則與波動(dòng)方程數(shù)學(xué)形式上相似，重組為等價(jià)的氣動(dòng)聲源。有關(guān)聲比擬方法的提出和發(fā)展歷程，以及學(xué)界對(duì)聲比擬思想的質(zhì)疑和捍衛(wèi)，感興趣的讀者可以參考?xì)鈩?dòng)聲學(xué)的綜述文章[3]，本文不再贅述。

螺旋槳噪聲問(wèn)題涵蓋的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，從20 世紀(jì)60 年代的葉輪機(jī)械噪聲問(wèn)題[4-6]、20 世紀(jì)70 年代的水下螺旋槳噪聲問(wèn)題[7-8]、20 世紀(jì)80 年代的直升機(jī)旋翼噪聲問(wèn)題[9-11]和開式轉(zhuǎn)子噪聲問(wèn)題[12-13]，到近兩年受到關(guān)注的無(wú)人機(jī)螺旋槳噪聲問(wèn)題[14-17]和面向未來(lái) 的 翼 身 融 合 布 局（blended wing body，BWB）飛機(jī)[18-21]等問(wèn)題，這些問(wèn)題的產(chǎn)生和發(fā)展多是從實(shí)際需求出發(fā)。從物理機(jī)制而言，主要包含吸入湍流噪聲（turbulence ingestion noise，TIN）、轉(zhuǎn) 定 干 涉（rotorstator interaction，RSI）噪 聲、槳 渦 干 擾（blade-vortex interaction，BVI）噪聲和邊界層吸入（boundary-layer ingestion，BLI）噪聲等問(wèn)題。

從近幾年AIAA/CEAS 氣動(dòng)聲學(xué)年會(huì)的研究工作情況，可以大致看出該學(xué)科的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。圖1 統(tǒng)計(jì)了2018～2021 年AIAA/CEAS 氣動(dòng)聲學(xué)年會(huì)中，有關(guān)螺旋槳噪聲問(wèn)題和應(yīng)用的研究論文數(shù)量，主要包括城市無(wú)人飛行系統(tǒng)噪聲、螺旋槳及垂直起降噪聲和渦輪機(jī)械噪聲（其中2020 年由于新冠疫情的影響，會(huì)議論文數(shù)量大幅減小）。可以看出，在2018 年，渦輪機(jī)械噪聲的研究工作占了大部分；到了2021 年，渦輪機(jī)械噪聲的研究熱度已經(jīng)降低；而與之相對(duì)的，螺旋槳噪聲，尤其是來(lái)自無(wú)人機(jī)旋翼的噪聲，在近年受到了學(xué)界越來(lái)越多的關(guān)注。

圖1 近年AIAA/CEAS 氣動(dòng)聲學(xué)年會(huì)的論文數(shù)量Fig. 1 The number of papers in recent AIAA/CEAS aeroacoustic conference

本文首先闡述螺旋槳噪聲的若干基本問(wèn)題的歷史發(fā)展、研究現(xiàn)狀；接著從實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)螺旋槳噪聲現(xiàn)在的及未來(lái)可能的應(yīng)用等方面進(jìn)行展開。拋磚引玉，希望能為感興趣的讀者進(jìn)一步選取研究切入點(diǎn)提供參考。

1 基線問(wèn)題

吸入湍流噪聲問(wèn)題是螺旋槳?dú)鈩?dòng)聲學(xué)的基線問(wèn)題，主要起源于20 世紀(jì)70 年代初。賓夕法尼亞州立大學(xué)的Sevik[7]提出水下螺旋槳在格柵湍流中存在非定常脈動(dòng)推力和與之直接相關(guān)的流動(dòng)噪聲問(wèn)題。

基于兩點(diǎn)的速度相關(guān)函數(shù)和Sears[22]的二維薄翼升力理論，Sevik 提出了一個(gè)頻域的理論模型來(lái)預(yù)測(cè)螺旋槳的非定常脈動(dòng)推力和遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射；并在水洞中對(duì)一個(gè)10 葉螺旋槳的推力進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量，以驗(yàn)證理論方法。Sevik 在水洞試驗(yàn)中，分別使用了網(wǎng)格間距為4 in 和6 in（1 in ≈ 0.025 4 m）的湍流格柵產(chǎn)生近似均勻、各向同性的湍流，并在湍流格柵后方20 倍的網(wǎng)格間距處設(shè)置螺旋槳，測(cè)量該螺旋槳在格柵湍流激勵(lì)下的非定常脈動(dòng)推力響應(yīng)。其中，螺旋槳的直徑為0.203 2 m，來(lái)流速度為4.69 m/s，進(jìn)速系數(shù)為1.22。試驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋槳的非定常脈動(dòng)推力頻譜分為低頻寬帶脈動(dòng)力和葉頻線譜力兩個(gè)部分。該理論模型成功地預(yù)測(cè)了非定常脈動(dòng)推力頻譜的低頻寬帶部分，但無(wú)法解釋“駝峰”（又稱“干草垛”）現(xiàn)象。該現(xiàn)象指葉片通過(guò)頻率（blade passing frequency，BPF，即葉頻）及其倍頻附近出現(xiàn)了寬帶峰值，該峰值對(duì)應(yīng)的頻率略高于葉頻及其倍頻，如圖2 所示。

圖2 水下螺旋槳非定常脈動(dòng)推力的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果[7]Fig. 2 The experimental and theoretical results of rotor unsteady thrust[7]

這種由Sevik 首先發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，數(shù)十年來(lái)始終是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究熱點(diǎn)，促進(jìn)了螺旋槳吸入湍流噪聲問(wèn)題研究的發(fā)展。但是學(xué)界至今沒(méi)有對(duì)此完全達(dá)成共識(shí)，特別是寬帶峰值對(duì)應(yīng)的頻率相對(duì)于葉頻及其倍頻右移的原因。隨后，賓夕法尼亞州立大學(xué)的Thompson[8]對(duì)Sevik 的試驗(yàn)，特別是與非定常脈動(dòng)推力測(cè)量相關(guān)的試驗(yàn)，進(jìn)行了重復(fù)和補(bǔ)充。

20 世紀(jì)末，針對(duì)Sevik 發(fā)現(xiàn)的“駝峰”現(xiàn)象以及水下螺旋槳的非定常脈動(dòng)推力和噪聲問(wèn)題，美國(guó)的學(xué)者和海軍研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的理論研究。美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心的Blake[23]從頻域出發(fā)，提出了譜方法。該方法也成為了目前水下螺旋槳噪聲理論預(yù)測(cè)的基本方法之一，后人提出的理論方法大多是在譜方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行更進(jìn)一步地發(fā)展。

譜方法的基本思想是先利用Sears[22]的二維薄翼升力理論，求出螺旋槳葉片單位長(zhǎng)度上下表面的壓力差導(dǎo)致的非定常升力，然后在展向方向積分，即可求出螺旋槳的非定常脈動(dòng)推力譜和遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓譜。在譜方法的實(shí)際應(yīng)用中，葉片展向方向的積分難以求解，因此往往會(huì)和Kirschner[24]提出的條帶數(shù)值法相結(jié)合。即，將螺旋槳沿徑向劃分為若干條帶，通過(guò)物理量在各條帶上的累加來(lái)獲得展向方向的積分。根據(jù)湍流積分尺度相對(duì)于螺旋槳葉片弦長(zhǎng)的大小，Blake用兩個(gè)漸近式的形式給出了理論模型。Blake 的小長(zhǎng)度尺度湍流模型與 Sevik 的理論模型相似，能夠預(yù)測(cè)非定常脈動(dòng)推力譜的寬帶部分，但忽略了葉片之間的旋轉(zhuǎn)相關(guān)性，因此無(wú)法預(yù)測(cè)“駝峰”現(xiàn)象；大長(zhǎng)度尺度湍流模型能夠解釋葉頻及其倍頻附近的峰值，但未能預(yù)測(cè)非定常推力譜的寬帶部分，并高估了峰值的幅值大小。

Jiang[25]通過(guò)修正速度相關(guān)函數(shù)來(lái)引入旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，提出了一個(gè)統(tǒng)一的相關(guān)模型，該模型可以同時(shí)考慮小尺度和大尺度湍流的貢獻(xiàn)，從而同時(shí)預(yù)測(cè)出非定常推力頻譜的寬帶和峰值部分。Jiang 的模型預(yù)測(cè)中，非定常推力頻譜的峰值大小較低，峰值對(duì)應(yīng)的頻率也略高于Sevik 的試驗(yàn)結(jié)果。 Martinez[26-28]提出的理論模型首次考慮了徑向脈動(dòng)力和螺旋槳葉片數(shù)（大于等于6）的影響，但沒(méi)有考慮不同角度的徑向力之間的互相關(guān)，以及徑向力和軸向力之間的互相關(guān)。該模型預(yù)測(cè)的二次葉頻附近峰值的幅值遠(yuǎn)低于Sevik[7]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從21 世紀(jì)開始，與Sevik 工作相關(guān)的水下螺旋槳噪聲研究中，幾乎找不到公開發(fā)表的來(lái)自美國(guó)的研究工作。但從公開的文獻(xiàn)推斷，Sevik 的10 葉槳模型依然被美國(guó)的研究人員大量采用，只不過(guò)試驗(yàn)多從水洞中轉(zhuǎn)到了風(fēng)洞中而已。

21 世紀(jì)初，美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心的Blake 和圣母大學(xué)的Wojno 等在風(fēng)洞中開展了一系列試驗(yàn)和理論研究[29-32]。不同于之前假設(shè)來(lái)流為均勻各向同性湍流的研究工作，他們結(jié)合譜方法發(fā)展了半經(jīng)驗(yàn)方法，考慮了非均勻來(lái)流的影響。風(fēng)洞試驗(yàn)中的其他試驗(yàn)條件，例如來(lái)流馬赫數(shù)、進(jìn)速系數(shù)、湍流格柵的孔隙率和雷諾數(shù)等參數(shù)，都與Sevik 的水洞試驗(yàn)[7]中的參數(shù)相同[31]。他們首先通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了格柵湍流的湍流統(tǒng)計(jì)特性，代入湍流波數(shù)譜和流體動(dòng)力響應(yīng)函數(shù)；然后利用譜方法得到螺旋槳的非定常脈動(dòng)推力譜和遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓譜；最后將試驗(yàn)測(cè)量得到的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓譜與該理論方法預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3[32]所示。他們的半經(jīng)驗(yàn)方法是對(duì)Blake 提出的譜方法[23]的發(fā)展，該方法準(zhǔn)確地估計(jì)了螺旋槳噪聲的寬帶部分，但由于低估了葉片之間的旋轉(zhuǎn)相關(guān)性，該方法預(yù)測(cè)的峰值幅值小于Sevik 的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 螺旋槳噪聲的預(yù)報(bào)方法[31]Fig. 3 Prediction methods for the rotor noise[31]

2012 年，美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心的Catlett 和Anderson 等[33]繼續(xù)在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，將螺旋槳設(shè)置在某大型氣動(dòng)面后方，研究位于剪切流來(lái)流中的螺旋槳的非定常脈動(dòng)推力和噪聲譜。與之前的格柵湍流來(lái)流的特性不同，這種剪切流在周向是不對(duì)稱的，因此螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)的來(lái)流具有時(shí)間和空間上的非均勻性和各向異性。為了考慮來(lái)流的非均勻性和各向異性，他們將坐標(biāo)變換后引入到湍流模型中，并使湍流模型的參數(shù)可以在螺旋槳盤面上變化；然后用試驗(yàn)測(cè)得的兩點(diǎn)的速度相關(guān)函數(shù)等參數(shù)來(lái)表征來(lái)流的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)非均勻各向異性剪切來(lái)流的半經(jīng)驗(yàn)建模。非均勻各向異性模型預(yù)測(cè)的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓譜與試驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致性，驗(yàn)證了該方法的可靠性。

長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)界一直認(rèn)為螺旋槳的軸向脈動(dòng)力（即脈動(dòng)推力）在遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射中占據(jù)主導(dǎo)地位，在譜方法中也僅考慮了螺旋槳的非定常軸向脈動(dòng)力作為偶極子聲源對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲的貢獻(xiàn)。2015 年，美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心的Anderson 和Catlett 等[34]再次對(duì)螺旋槳非定常脈動(dòng)力的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了發(fā)展，在時(shí)域上提出了新的理論模型，考慮了螺旋槳的徑向脈動(dòng)力對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲的貢獻(xiàn)。理論預(yù)測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)的結(jié)果取得了較好的一致性，并且證實(shí)當(dāng)葉片的槳距角達(dá)到45°時(shí)，螺旋槳的徑向脈動(dòng)力的偶極子聲源強(qiáng)度與軸向脈動(dòng)力的聲源強(qiáng)度基本相同。

近年來(lái)，作為水下螺旋槳噪聲研究的基線問(wèn)題，Sevik[7]提出的螺旋槳非定常脈動(dòng)推力和噪聲問(wèn)題也受到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的熊紫英、朱錫清等[35]驗(yàn)證了譜方法和條帶數(shù)值法等螺旋槳低頻寬帶噪聲的預(yù)測(cè)方法，對(duì)水下螺旋槳在入射湍流激勵(lì)下的螺旋槳噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，并分析了湍流統(tǒng)計(jì)量（湍流度、湍流積分長(zhǎng)度）和螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)（直徑、弦長(zhǎng)、葉數(shù)等）對(duì)螺旋槳噪聲的影響。理論結(jié)果與Sevik 的試驗(yàn)結(jié)果總體趨勢(shì)一致，在一階葉頻處有較好的一致性，但是預(yù)測(cè)的二階葉頻處寬帶峰值對(duì)應(yīng)的頻率高于試驗(yàn)結(jié)果。浙江大學(xué)的吳大轉(zhuǎn)課題組[36]利用數(shù)值模擬方法，對(duì)Sevik 的基線試驗(yàn)中的螺旋槳非定常脈動(dòng)推力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。他們首先在入口引入合成湍流，然后利用大渦模擬（LES）方法進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬得到的結(jié)果與Sevik 的試驗(yàn)結(jié)果總體趨勢(shì)一致，但是在二階葉頻處依然與試驗(yàn)結(jié)果有差別。清華大學(xué)的蔣靖?jìng)?、黃偉希等[37]利用譜方法和條帶數(shù)值法，對(duì)螺旋槳非定常脈動(dòng)推力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，數(shù)值模擬的結(jié)果同樣在二階葉頻處與Sevik 的試驗(yàn)結(jié)果有較大差別。

值得注意的是，在與Sevik[7]公布的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的過(guò)程中，北京大學(xué)的黃迅發(fā)現(xiàn)了Sevik 文章中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤。在Sevik 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，螺旋槳在4 in 湍流格柵后方，非定常脈動(dòng)推力譜一階葉頻處的幅值約為 -2 dB，而Jiang[25]引用的該數(shù)據(jù)約為-15 dB。美國(guó)學(xué)者后來(lái)的文章都在有意無(wú)意地回避這一點(diǎn)。甚至，即使是Sevik 的同一篇文章[38]，引用的數(shù)據(jù)中一階葉頻的幅值也各不相同。經(jīng)過(guò)窮搜文獻(xiàn)，最終發(fā)現(xiàn)Paul 等[39]明確指出Sevik 的原始數(shù)據(jù)后處理有誤（“Due to an error made during the post processing of the experimental data the unsteady thrust amplitude is not correct in the original paper”）。

黃迅課題組的吳佳峰、楊周劍云針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了探索和數(shù)值驗(yàn)證，對(duì)Sevik 螺旋槳在格柵湍流下的非定常脈動(dòng)推力譜進(jìn)行了數(shù)值模擬。該研究采用開源軟件OpenFOAM 的延遲分離渦（DDES）模型，模擬來(lái)流（入口來(lái)流無(wú)湍流度）在湍流格柵后方的自由發(fā)展，從而考慮吸入格柵湍流的非均勻性和流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)螺旋槳非定常脈動(dòng)推力的影響；分析了格柵湍流的統(tǒng)計(jì)特性，并證實(shí)了Sevik 試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理錯(cuò)誤的原因，明確了Sevik 文獻(xiàn)中螺旋槳非定常脈動(dòng)推力譜的一階葉頻峰值的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該修正 13 dB，修正后的結(jié)果為-15 dB。至此，Sevik 的基線試驗(yàn)已經(jīng)得到我國(guó)學(xué)者的充分驗(yàn)證。

不過(guò)，對(duì)于水下螺旋槳吸入湍流噪聲問(wèn)題，相關(guān)流動(dòng)和聲學(xué)的機(jī)制，特別是格柵湍流來(lái)流的非均勻性、各向異性，以及來(lái)流的湍流結(jié)構(gòu)與葉片的相互作用，對(duì)“駝峰”的產(chǎn)生有怎樣的影響，還沒(méi)有得到充分研究。因此，Sevik 提出的基線問(wèn)題依然可以作為今后從事螺旋槳吸入湍流噪聲研究工作的切入點(diǎn)，相關(guān)工作對(duì)于未來(lái)混合動(dòng)力航空發(fā)動(dòng)機(jī)、多電乃至全電航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 物理機(jī)制

2.1 轉(zhuǎn)定干涉噪聲問(wèn)題

轉(zhuǎn)定干涉（又稱轉(zhuǎn)靜干涉）主要是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)與前方定子尾流的相互干涉現(xiàn)象，廣泛存在于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，會(huì)產(chǎn)生聲輻射，影響推進(jìn)效率。

研究表明，轉(zhuǎn)定干涉是航空發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲的主要聲源[40]。除此之外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲問(wèn)題還包括轉(zhuǎn)子的自噪聲問(wèn)題、定子和轉(zhuǎn)子前緣與邊界層吸入湍流的相互干涉等問(wèn)題，具體可以參考劍橋大學(xué)的Peake[41]撰寫的綜述文章。各國(guó)學(xué)者已經(jīng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲問(wèn)題進(jìn)行了深入研究[42-44]，并發(fā)展出了聲襯[45]、定子的前后緣鋸齒[46-47]、定子的前傾和側(cè)斜[48-50]等降噪手段，在本文中將不展開敘述。

值得注意的是，轉(zhuǎn)定干涉的物理機(jī)制與定子尾流的流動(dòng)特性具有很大的關(guān)系。Zdravkovichp[51]在對(duì)圓柱尾流的研究中，將圓柱在均勻來(lái)流中的流態(tài)進(jìn)行了分類：層流、尾流的轉(zhuǎn)捩、亞臨界（指自由剪切流向湍流的轉(zhuǎn)捩）、臨界（指在邊界層中向湍流的轉(zhuǎn)捩）和充分發(fā)展湍流。

當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子的距離大到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)子與定子產(chǎn)生的剪切流的相互干涉將會(huì)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子與定子周期性脫落的尾渦的相互干涉，即亞臨界流態(tài)。此時(shí)的流動(dòng)和聲學(xué)特性與近距離的轉(zhuǎn)定干涉有明顯區(qū)別。例如，此時(shí)螺旋槳的非定常脈動(dòng)力譜和遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓譜，除了葉頻及其倍頻附近存在寬帶峰值外，還會(huì)在定子的渦脫落頻率上出現(xiàn)較高的峰值[52-54]。

對(duì)這種亞臨界流態(tài)的研究，最先來(lái)源于飛機(jī)的起落架噪聲問(wèn)題，因此目前的研究大多還局限于前方圓柱、后方機(jī)翼的二維簡(jiǎn)化設(shè)置[55-57]，沒(méi)有考慮到三維的流動(dòng)效應(yīng)。對(duì)于亞臨界距離的大小，目前還沒(méi)有定論，不過(guò)在圓柱-機(jī)翼設(shè)置中，其大致范圍為2～4 倍的圓柱直徑[56]。

水中裝備系統(tǒng)的特殊性在于，除了航空中常見的轉(zhuǎn)定干涉，還存在定轉(zhuǎn)干涉和定轉(zhuǎn)定干涉等新情況。研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)、潛艇泵噴推進(jìn)器等的亞臨界現(xiàn)象以及確定亞臨界距離，有助于加深對(duì)轉(zhuǎn)定干涉現(xiàn)象的理解，促進(jìn)未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和潛艇的設(shè)計(jì)。

2.2 轉(zhuǎn)子-邊界層吸入湍流噪聲問(wèn)題

轉(zhuǎn)子-邊界層吸入湍流噪聲問(wèn)題近年來(lái)得到了國(guó)外學(xué)者的關(guān)注，該問(wèn)題繼承于Sevik[7]提出的螺旋槳吸入湍流噪聲基線問(wèn)題，由下一代翼身融合布局飛機(jī)[18-21]的設(shè)計(jì)需求驅(qū)動(dòng)。翼身融合布局飛機(jī)將高效的高升力翼型與寬翼型機(jī)身相結(jié)合，從而提高升力的同時(shí)將阻力降到最低。早在20 世紀(jì)80 年代的B2 轟炸機(jī)的設(shè)計(jì)中，就有翼身融合布局設(shè)計(jì)概念的雛形。21 世紀(jì)初，波音公司和美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開展了合作，對(duì)翼身融合試驗(yàn)機(jī)型X-48 系列進(jìn)行了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，如圖4 所示。系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)可以參考波音公司Liebeck[18]的文章。近年來(lái)，隨著各國(guó)陸續(xù)宣布將在2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，如何對(duì)下一代的汽車、飛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，成為了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題；而翼身融合布局飛機(jī)就是未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)減排降噪的可行方案之一，并且其在轟炸機(jī)和無(wú)人機(jī)等軍用領(lǐng)域、民用領(lǐng)域也具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖4 翼身融合布局試驗(yàn)機(jī)型（圖片來(lái)源：NASA）Fig. 4 Blended-wing-body testing aircraft

在翼身融合布局飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，通常將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口安裝在機(jī)翼后緣，目的是通過(guò)吸入吸力側(cè)的邊界層最厚部分，來(lái)改善巡航的燃油消耗[58]。這種設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題是在翼身融合布局飛機(jī)起降和巡航的所有階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口都會(huì)吸入大量較厚的邊界層湍流，并與發(fā)動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的前緣相互作用，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。除了翼身融合布局飛機(jī)之外，在一些未來(lái)飛機(jī)的設(shè)計(jì)概念中，例如NASA 的D8 型亞聲速飛機(jī)的設(shè)計(jì)，也考慮到通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入較厚的邊界層湍流來(lái)提高效率、改善噪聲問(wèn)題。對(duì)于吸入邊界層厚度超過(guò)100%葉片弦長(zhǎng)的邊界層吸入湍流噪聲問(wèn)題，現(xiàn)有的理論模型都不適用，也缺乏詳盡的試驗(yàn)研究[59]。因此，研究轉(zhuǎn)子-邊界層吸入湍流噪聲問(wèn)題，將有助于未來(lái)飛機(jī)的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

2012 年開始，弗吉尼亞理工大學(xué)的Devenport、Alexander 與佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)的Glegg 等進(jìn)行了一系列理論研究和試驗(yàn)[60-63]，研究轉(zhuǎn)子對(duì)吸入平板邊界層湍流的噪聲響應(yīng)。他們?cè)诟ゼ醽喞砉ご髮W(xué)的風(fēng)洞中，試驗(yàn)測(cè)量了按比例放大直徑至457 mm 的Sevik 10 葉螺旋槳在吸入平板邊界層湍流中的遠(yuǎn)場(chǎng)聲輻射。試驗(yàn)結(jié)果顯示[63]，在高推力工況下，遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓譜寬帶峰值的幅值更高，具有更加明顯的唱音特征。他們分析指出，“駝峰”現(xiàn)象是在低推力或中等推力工況下，多個(gè)葉片切割相同的大尺度湍流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，也就是上文中提到的葉片之間的旋轉(zhuǎn)相關(guān)性。此外，他們還發(fā)現(xiàn)在螺旋槳盤面附近出現(xiàn)了邊界層分離，這些結(jié)構(gòu)與葉片的相互作用成為高推力工況下額外的唱音噪聲聲源。之后，代爾夫特理工大學(xué)的Casalino等[64]基于格子玻爾茲曼（lattice Boltzmann method，LBM）方法，對(duì)該試驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

在第27 屆AIAA/CEAS 的氣動(dòng)聲學(xué)年會(huì)中，Devenport、Alexander 和Glegg 等[65]繼續(xù)開展合作，對(duì)轉(zhuǎn)子-吸入邊界層湍流噪聲問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)研究。在風(fēng)洞中，試驗(yàn)測(cè)量的5 葉螺旋槳放置在回轉(zhuǎn)體后方，以研究螺旋槳在回轉(zhuǎn)體的邊界層湍流中的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲。同時(shí)，圣母大學(xué)的王萌[66]基于大渦模擬方法，對(duì)該試驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究。計(jì)算模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致性。結(jié)果表明，“駝峰”的峰值出現(xiàn)在葉頻及其2～4 倍倍頻附近，對(duì)應(yīng)的頻率相比葉頻及其倍頻右移了8%～12%。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 下一代飛機(jī)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)2050 年碳中和的目標(biāo)，除了比較具有潛力的翼身融合布局飛機(jī)之外，開式轉(zhuǎn)子飛機(jī)、混合動(dòng)力飛機(jī)和純電動(dòng)飛機(jī)也是可能的發(fā)展方向。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（又稱槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)）最先來(lái)源于20 世紀(jì)70 年代的石油危機(jī)中，是由NASA 提出的設(shè)計(jì)概念，其主要優(yōu)勢(shì)是相對(duì)于目前普遍使用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，它可以節(jié)省25%～35%的燃油成本[67]。該設(shè)計(jì)包括單轉(zhuǎn)或者對(duì)轉(zhuǎn)的螺旋槳，其中螺旋槳的葉片數(shù)量相對(duì)較少，葉片直徑較小而葉型高度扭曲。20 世紀(jì)80 年代，NASA、漢密爾頓標(biāo)準(zhǔn)公司、通用電氣公司和道格拉斯公司等機(jī)構(gòu)，對(duì)開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和開式轉(zhuǎn)子飛機(jī)進(jìn)行了大量試驗(yàn)。然而這些試驗(yàn)項(xiàng)目都沒(méi)有取得成果，主要原因是開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳噪聲過(guò)大，該瓶頸問(wèn)題沒(méi)有取得進(jìn)展，且燃油價(jià)格相對(duì)石油危機(jī)時(shí)已經(jīng)大幅降低，因此開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)失去了與傳統(tǒng)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。關(guān)于開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史，具體可以參考NASA 格倫研究中心的Van Zante[68]撰寫的綜述文章。

在近幾年，隨著各國(guó)提出減少碳排放的目標(biāo)，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是對(duì)轉(zhuǎn)的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，重新受到了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，每年都有大量的試驗(yàn)、理論和計(jì)算研究發(fā)表在航空航天和氣動(dòng)聲學(xué)領(lǐng)域的重要期刊[69-74]。螺旋槳的氣動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題，成為了開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)研究中最重要的問(wèn)題之一。

混合動(dòng)力飛機(jī)主要由渦輪和電力驅(qū)動(dòng)，在近年也受到了一些機(jī)構(gòu)和學(xué)者的關(guān)注，是未來(lái)飛機(jī)設(shè)計(jì)的可行方向。在過(guò)去幾年，NASA 與波音公司合作，先后提出了亞聲速超綠飛機(jī)、N3-X 型混合動(dòng)力的翼身融合布局飛機(jī)和STARC-ABL 渦輪電動(dòng)飛機(jī)等設(shè)計(jì)概念[75-77]；空客公司提出了E-Fan X 混合動(dòng)力飛機(jī)的設(shè)計(jì)概念；而其他的中小型飛機(jī)制造商也對(duì)未來(lái)混合動(dòng)力飛機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)劃。在學(xué)術(shù)界，各國(guó)學(xué)者對(duì)混合動(dòng)力飛機(jī)開展了研究[78-80]，不過(guò)目前發(fā)表的工作大多局限于小型混合動(dòng)力飛機(jī)的設(shè)計(jì)。而對(duì)于純電動(dòng)飛機(jī)，目前發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和電池存儲(chǔ)等瓶頸問(wèn)題還難以解決。因此可以預(yù)見，混合動(dòng)力飛機(jī)將在未來(lái)具有更高的可靠性和更大的潛力。

3.2 無(wú)人機(jī)

如上文所述，根據(jù)圖1 統(tǒng)計(jì)的近年來(lái)AIAA/CEAS氣動(dòng)聲學(xué)年會(huì)的研究數(shù)量來(lái)看，除了螺旋槳自噪聲、渦輪機(jī)械問(wèn)題之外，無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題也受到學(xué)界越來(lái)越多地關(guān)注。無(wú)人機(jī)在城市運(yùn)輸系統(tǒng)和軍用偵查等方面具有可觀的前景。

與航空發(fā)動(dòng)機(jī)和水下螺旋槳的雷諾數(shù)普遍在數(shù)十萬(wàn)到上百萬(wàn)不同，典型的無(wú)人機(jī)螺旋槳的雷諾數(shù)在數(shù)萬(wàn)到上十萬(wàn)范圍。因此，作為低雷諾數(shù)螺旋槳，無(wú)人機(jī)螺旋槳的流動(dòng)現(xiàn)象和聲學(xué)特性也與高雷諾數(shù)螺旋槳有顯著區(qū)別，具體表現(xiàn)為流動(dòng)更易分離、轉(zhuǎn)子和流動(dòng)結(jié)構(gòu)的相互干涉更為復(fù)雜等。對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳噪聲問(wèn)題的關(guān)注始于2016 年，美國(guó)航天局蘭利研究中心的Zawodny 等[81]在消聲室中，對(duì)無(wú)人機(jī)二葉螺旋槳的自噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)螺旋槳的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓譜由三個(gè)部分組成：除了低頻的寬帶部分、葉頻及其倍頻附近的寬帶峰值之外，還有頻率在數(shù)千到上萬(wàn)赫茲的轉(zhuǎn)子后緣噪聲。

螺旋槳葉片與來(lái)流湍流的相互作用是噪聲和不穩(wěn)定載荷的主要來(lái)源。對(duì)于主要在低雷諾數(shù)工況下工作的無(wú)人機(jī)螺旋槳，其流動(dòng)和聲學(xué)現(xiàn)象與傳統(tǒng)的高雷諾數(shù)螺旋槳有明顯不同，并且尚未得到廣泛研究。2020 年，北京大學(xué)的陳望橋、黃迅等[82]發(fā)展了新的時(shí)頻域聲成像方法，并結(jié)合粒子圖像測(cè)速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV），對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳的轉(zhuǎn)定干涉流動(dòng)現(xiàn)象和聲源分布進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，聲源的分布以及主要聲源的頻率變化，與轉(zhuǎn)定干涉過(guò)程具有直接的聯(lián)系。隨后，他們對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳在剪切層中的噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)研究[83]。聲成像的試驗(yàn)結(jié)果表明，后緣噪聲主要來(lái)自葉尖部分，且剪切層與螺旋槳之間的相互作用通過(guò)減小葉尖渦來(lái)抑制后緣噪聲。最近，黃迅課題組的吳佳峰[84]基于延遲分離渦模擬方法，對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳的轉(zhuǎn)定干涉現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。該工作解決了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的一些測(cè)量難題，例如對(duì)葉片邊界層流動(dòng)和葉片表面聲源的分析。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，來(lái)流湍流會(huì)在葉片邊界層引起層流分離，并主要在葉片前緣產(chǎn)生聲源；層流分離的出現(xiàn)取決于葉片截面與局部速度的夾角。該研究對(duì)葉片之間的旋轉(zhuǎn)相關(guān)性進(jìn)行了定義。分析表明，葉片之間的旋轉(zhuǎn)相關(guān)性在葉片前緣處最強(qiáng)，在葉片尾緣、葉尖和葉梢處會(huì)因?yàn)槲簿壝撀錅u和葉尖渦等流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響而減弱。

2021 年，代爾夫特理工大學(xué)的Casalino 等[16]和法國(guó)國(guó)立高等航空航天學(xué)院的Gojon 等[17]分別對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳自噪聲的基線問(wèn)題進(jìn)行了定義。Casalino首先在消聲室中對(duì)無(wú)人機(jī)二葉螺旋槳的自噪聲進(jìn)行了測(cè)量，然后與葉素動(dòng)量理論（blade element momentum theory，BEMT）和格子玻爾茲曼數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)的結(jié)果分別進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果取得了較好的一致性。香港科技大學(xué)的姜漢博、張欣等[85]對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳的唱音噪聲的輻射模態(tài)和輻射效率進(jìn)行了研究。他們?cè)谇蜃鴺?biāo)系中建立了厚度噪聲和載荷噪聲的預(yù)測(cè)模型，將數(shù)值模擬得到的流動(dòng)變量作為輸入，并與消聲室中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和驗(yàn)證。模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果取得了較好的一致性。研究還表明隨著噪聲源接近旋轉(zhuǎn)中心，各模態(tài)的輻射效率迅速降低。因此，在設(shè)計(jì)低噪聲螺旋槳時(shí)，徑向的氣動(dòng)載荷應(yīng)當(dāng)受到重點(diǎn)關(guān)注。

此外，各國(guó)學(xué)者也對(duì)轉(zhuǎn)子葉片表面的流動(dòng)分離過(guò)程[86]、轉(zhuǎn)子與圓柱的相互干涉過(guò)程[87]、多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)[14]等問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研究。

3.3 水中裝備

螺旋槳噪聲、機(jī)械噪聲和水動(dòng)力噪聲是船舶和潛艇等水中裝備的三大主要噪聲來(lái)源。螺旋槳噪聲是螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的噪聲，主要包括螺旋槳的空泡噪聲和流致噪聲，其中流致噪聲又包括邊界層吸入湍流噪聲、導(dǎo)邊噪聲和隨邊噪聲等。機(jī)械噪聲主要是推進(jìn)系統(tǒng)的振動(dòng)，以及螺旋槳的軸脈動(dòng)力通過(guò)軸系耦合引起的艇體振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。水動(dòng)力噪聲主要非均勻的來(lái)流與艇體相互干涉產(chǎn)生的噪聲，以及潛艇的指揮臺(tái)、船舶的定子導(dǎo)葉等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流動(dòng)分離導(dǎo)致的噪聲組成。水中裝備的噪聲組成如圖5 所示。盡管對(duì)水下航行體的主要噪聲源至今仍有爭(zhēng)議，但普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為：在水下高速航行時(shí)，螺旋槳的空泡噪聲是最主要的噪聲源；低速航行或者采用泵噴推進(jìn)器時(shí)，空泡的產(chǎn)生將得到抑制，此時(shí)機(jī)械噪聲和螺旋槳的流致噪聲是主要的噪聲源。隨著船舶和潛艇設(shè)計(jì)的改進(jìn)，螺旋槳附近空泡的產(chǎn)生將會(huì)推遲，臨界航速大幅提高，特別是對(duì)于需要在非空化條件下運(yùn)行的潛艇，空化工況噪聲研究的實(shí)際意義將不再明顯。機(jī)械噪聲的聲壓級(jí)也隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)而逐漸減小，這反而使得螺旋槳噪聲的研究，成為了船舶和潛艇設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的問(wèn)題。

圖5 水中裝備的主要聲源Fig. 5 The main sound sources of underwater systems

目前水下螺旋槳噪聲的預(yù)測(cè)方法主要包括頻域法和時(shí)域法，其中頻域法又包括譜方法和相關(guān)法。在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域，Blake[23]提出的譜方法計(jì)算代價(jià)遠(yuǎn)小于數(shù)值模擬方法，因而得到了廣泛應(yīng)用。然而，譜方法等頻域法需要通過(guò)湍流波數(shù)譜和流體動(dòng)力響應(yīng)函數(shù)對(duì)來(lái)流的湍流信息進(jìn)行定義，因此難以考慮非均勻來(lái)流和復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題的求解能力有限。時(shí)域法只需得到螺旋槳的表面脈動(dòng)壓力，即可通過(guò)聲比擬方法和FW-H 方程[88]求解得到遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射聲壓級(jí)。其中表面脈動(dòng)壓力可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量獲得，但是對(duì)于螺旋槳等旋轉(zhuǎn)部件有一定困難，因此更多的是通過(guò)數(shù)值模擬方法來(lái)計(jì)算獲得。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的計(jì)算代價(jià)顯著降低，數(shù)值模擬方法在水下螺旋槳噪聲預(yù)測(cè)中具有越來(lái)越重要的作用。

國(guó)際上主流潛艇的聲壓級(jí)如圖6 所示。研究表明，水中裝備的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲的聲壓級(jí)每降低6 dB，則對(duì)方被動(dòng)聲納的探測(cè)距離將縮小50%[89]。而且高速機(jī)動(dòng)時(shí)，螺旋槳噪聲和艇體流動(dòng)噪聲（乃至流固耦合發(fā)聲）會(huì)嚴(yán)重影響自帶聲納的工作性能。因此，潛艇的噪聲問(wèn)題是潛艇設(shè)計(jì)中最重要的問(wèn)題之一。

圖6 俄羅斯和美國(guó)潛艇的聲壓級(jí)（圖片來(lái)源：維基百科）Fig. 6 The noise levels of Russian and American submarines

除了Sevik[7]的基線試驗(yàn)之外，近年來(lái)各國(guó)學(xué)者對(duì)水下螺旋槳也有廣泛的試驗(yàn)和計(jì)算研究。2012 年，明尼蘇達(dá)大學(xué)的Mahesh 等[90-91]基于大渦模擬方法，研究了DTMB 4381 型5 葉螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)的倒車工況下的流動(dòng)特性，并研究了前方是否帶有艇體對(duì)流動(dòng)的影響。之后，他們對(duì)該螺旋槳在設(shè)計(jì)工況下的尾流失穩(wěn)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[92]。2014 年開始，意大利國(guó)家研究委員會(huì)的Mascio 等[93-95]基于分離渦模擬（DES）方法，對(duì)INSEAN E779A 型四葉螺旋槳的尾流特性進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬研究。

相比于對(duì)螺旋槳流動(dòng)特性的研究，更值得關(guān)注的是潛艇螺旋槳、魚雷和泵噴推進(jìn)器等實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題中的流動(dòng)和聲學(xué)問(wèn)題。

2013 年，愛(ài)荷華大學(xué)的Chase 和Carrica[96]對(duì)潛艇及螺旋槳開展了具有代表性的研究工作?；诜蛛x渦模擬和延遲分離渦模擬方法，他們對(duì)DARPA AFF8 型潛艇和E1619 型7 葉螺旋槳的設(shè)置進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與激光多普勒測(cè)速儀（laser doppler velocimetry， LDV）的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。此外，土耳其的?zden 等[97]和Sezen 等[98]也先后對(duì)DARPA AFF8 型潛艇和E1619 型7 葉螺旋槳的設(shè)置進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

涵道螺旋槳是指被涵道包圍的螺旋槳系統(tǒng)，其被廣泛應(yīng)用于船舶、魚雷等民用和軍用領(lǐng)域的推進(jìn)系統(tǒng)。相對(duì)于孤立螺旋槳，該系統(tǒng)具有推進(jìn)效率更高、氣動(dòng)噪聲更低和安全性更高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)涵道和螺旋槳的外形設(shè)計(jì)具有較高的要求。2018 年和2020 年，哈爾濱工程大學(xué)的郭春雨課題組[99]和武漢理工大學(xué)的丁江明課題組[100]先后基于分離渦模擬方法，對(duì)涵道螺旋槳尾流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。而對(duì)于涵道螺旋槳的降噪設(shè)計(jì)，思克萊德大學(xué)的Stark 等[101]將氣動(dòng)聲學(xué)中廣泛使用的鋸齒狀仿生降噪結(jié)構(gòu)應(yīng)用于涵道螺旋槳的涵道前緣，用雷諾時(shí)均模擬（RANS）預(yù)測(cè)涵道螺旋槳表面的渦量和壓力分布，對(duì)不同鋸齒外形設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。但由于雷諾時(shí)均模擬方法無(wú)法對(duì)瞬態(tài)物理機(jī)制進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，因而也無(wú)法對(duì)涵道螺旋槳的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓進(jìn)行分析。

從上述文獻(xiàn)可見，對(duì)于水下螺旋槳問(wèn)題，公開發(fā)表的絕大多數(shù)文獻(xiàn)局限于對(duì)尾流等流動(dòng)特性的研究，而避開了較為敏感的水下聲學(xué)研究。特別對(duì)于當(dāng)今國(guó)際上主流核動(dòng)力潛艇采用的泵噴推進(jìn)技術(shù)，能找到的公開發(fā)表的文獻(xiàn)少之又少，且大多數(shù)來(lái)自中國(guó)學(xué)者[102-104]。因此，研究和改進(jìn)泵噴推進(jìn)系統(tǒng)的流動(dòng)和聲學(xué)特性，以及對(duì)下一代的潛艇的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如能夠有效解決梢隙流動(dòng)和軸系振動(dòng)問(wèn)題的無(wú)軸推進(jìn)系統(tǒng)，仍然是當(dāng)今工業(yè)界和學(xué)界亟需解決的重要問(wèn)題。

4 小結(jié)和展望

螺旋槳噪聲是航空航天和水中裝備領(lǐng)域的重要問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近60 年的研究和發(fā)展，在理論、試驗(yàn)和計(jì)算等方面已經(jīng)取得了不少突破，其研究成果在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、艦船和潛艇等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但實(shí)際應(yīng)用中，螺旋槳噪聲問(wèn)題涉及時(shí)間和空間上非均勻各向異性的湍流來(lái)流，乃至多尺度的湍流結(jié)構(gòu)與葉片之間的復(fù)雜干涉作用，因此對(duì)于螺旋槳噪聲問(wèn)題中的物理機(jī)制，學(xué)術(shù)界仍存在較大爭(zhēng)議。甚至對(duì)于已經(jīng)提出數(shù)十年的螺旋槳吸入湍流噪聲的基線問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者雖然已經(jīng)開展了大量研究工作，但對(duì)于理論模型的建立以及背后的物理機(jī)制，至今尚未完全達(dá)成共識(shí)。

我們認(rèn)為螺旋槳噪聲問(wèn)題的研究，主要有以下三個(gè)方向具有發(fā)展前景：

首先來(lái)自于實(shí)際工程問(wèn)題的需求?？v觀螺旋槳噪聲乃至氣動(dòng)聲學(xué)研究的發(fā)展歷史，可以看出工程實(shí)際需求與學(xué)術(shù)前沿研究并不是割裂的，大多數(shù)時(shí)候前者為后者指明了方向，促進(jìn)了理論和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。由于我國(guó)一系列重大問(wèn)題，特別是國(guó)防領(lǐng)域不斷提升的需求，以及面向未來(lái)的綠色環(huán)保飛行器等設(shè)計(jì)的需求，螺旋槳流動(dòng)噪聲問(wèn)題的研究具有越來(lái)越重要的意義。對(duì)于一些重要的軍事應(yīng)用領(lǐng)域，比如水中裝備的螺旋槳流動(dòng)噪聲問(wèn)題，在國(guó)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)中幾乎找不到可供參考的資料，這對(duì)我國(guó)的理論和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展提出了更高要求，需要結(jié)合實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行研究和創(chuàng)新。

其次是基本問(wèn)題中的物理機(jī)制。研究螺旋槳噪聲基本問(wèn)題中的物理機(jī)制，不僅可以促進(jìn)湍流噪聲理論的發(fā)展，還能對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有較大的助益。一些實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題中包含了多個(gè)物理機(jī)制，比如泵噴推進(jìn)器中包含了邊界層吸入、轉(zhuǎn)定干涉、梢隙流動(dòng)和軸系耦合等問(wèn)題。對(duì)于這些復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，深入研究基本問(wèn)題的機(jī)制，有助于區(qū)分各物理機(jī)制對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲貢獻(xiàn)的主次，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。

最后是新的數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)技術(shù)的推動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)算力的不斷提高，以雷諾時(shí)均模擬、大渦模擬以及分離渦模擬等方法為代表的數(shù)值模擬方法在近年來(lái)逐漸成熟，并得到廣泛應(yīng)用。在今后，數(shù)值模擬方法的發(fā)展將使對(duì)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的高精度模擬成為可能，從而為分析和理解背后的物理機(jī)制提供支持。而對(duì)于試驗(yàn)技術(shù)，特別是要將氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)研究中普遍使用的聲源成像和PIV 等技術(shù)應(yīng)用于水下螺旋槳，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)高速螺旋槳的高精度試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)，目前還存在較大的挑戰(zhàn)，最大問(wèn)題來(lái)源于信噪比和分辨率等因素的限制。因此，如何對(duì)現(xiàn)有的試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，乃至發(fā)展新的試驗(yàn)技術(shù)，是目前螺旋槳噪聲問(wèn)題研究中需要面對(duì)的問(wèn)題。