流场和旋转运动导致的桨叶变形，对船舶噪音性能有何影响？

文 | 论芸轩

编辑 | 论芸轩

随着船舶朝着大型化、高速化、智能化的方向发展，船舶噪声也因此越来越强烈，引起了人们广泛的关注。

在船舶领域中，噪声水平是衡量船舶性能的重要指标之一。

而船舶噪声的危害，在各个方面均有所体现，在民用的船舶上，噪声不仅会对船上工作人员的生活造成影响，甚至危害到身心健康。

另一方面其还会对精密设备的精度产生影响，缩短设备的寿命，另外，在海洋中由螺旋桨噪声引起的水下辐射噪声污染，会使海洋动物的生命遭受严重威胁。

而在军用舰艇上，武装设备会被噪声干扰，导致其无法正常工作，如会使声呐探测的准确性被削弱。

对于潜艇，噪声会使潜艇更容易暴露，被敌方发现和跟踪，甚至被打击沉毁，带来的危害更为严重。

所以该如何降低船只噪音的影响呢？

船舶的噪声主要来自三个方面，分别是机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声，在低航行速度下，螺旋桨未发生空泡的情况下，机械噪声产生的影响最大。

螺旋桨噪声次之，但两者产生的噪声量级相差并不大，另外随着近几十年来，主动控制以及被动控制技术的发展和应用，使得机械噪声明显降低，螺旋桨噪声因而尤为突出。

而常规的金属桨在降噪的同时，要求保持高航速性能的设计空间较为狭窄，因此复合材料被越来越广泛的采用在螺旋桨制造上。

且复合材料螺旋桨具有众多的优势，例如能既保证强度又减轻重量，降低负载。

同时复合材料具有良好的抗冲击性能，大大提高了使用寿命，其还具有比较高的阻尼特性，使得减振降噪的目标得以实现等优势。

但采用了复合材料的螺旋桨，不同于传统的刚性桨，其成为了一个弹性体。

因此在工作中船桨会产生变形，从而影响周围的流场特性以及水动力性能，此时由于桨叶变形产生的低频振动噪声必须考虑在内，需要开展耦合噪声的研究。

由于物理特性的不同，螺旋桨辐射的水动力噪声可以分为两类，分别是空泡噪声和无空泡噪声。

其中螺旋奖空泡噪声，是由于在空泡的生成与破灭过程中，引起了压力的变化而产生的，对空泡噪声的研究，相较于无空泡噪声要开始得早。

因为在早先的船舶航行中，螺旋桨工作在产生空泡工况下的时间占据大部分，因此空泡噪声凸显，对于空泡噪声的预报也得到了重视。

但由于计算空泡的难度较大，并且空泡与噪声的辐射没有呈现线性的关系，使得描述空泡噪声的理论十分复杂，现在一般采用对模型试验结果的换算，来计算螺旋桨空泡噪声。

而螺旋桨的设计水平逐步提高，导致空泡噪声的临界航速大幅度提高，使得空泡噪声得到较大改善，由此无空泡噪声逐渐凸显出来。

对于无空泡噪声，按频谱特性可分为三类，低频线谱噪声、低频宽带谱噪声以及高频宽带谱噪声。

其中低频噪声占据大部分，在相同声压级的条件下，线谱与宽带谱噪声相衡量，会发现线谱噪声危害性更大，所以现在越来越重视对无空泡噪声特别是低频线谱噪声的研究。

螺旋桨噪声的预报方式，主要可以分为模型试验、理论计算和数值模拟。

这三者中最被认同的是模型试验，但其缺点是模型试验成本高、周期长，另外对于流场的监测，会被仪器精密度等，现实实验条件所影响。

而采用理论计算时忽略了流体粘性的影响，并且对桨后尾流形状进行了假设，这对理论素质和实践经验有着高要求，从而导致计算结果精度存在欠佳的情况。

但数值仿真模拟可以对真实流场情况进行计算，将流体粘性考虑在内，并且不必考虑尺寸放缩问题。

而螺旋桨非空泡噪声中，低频线谱噪声和低频宽带谱噪声，利用理论预报的结果和实际值相差不大，且具有一定的准确性。

所以我们可以采用理论计算的方法，对其进行预报，对于空泡噪声以及高频宽带谱噪声，由于难以描述其复杂的湍流边界层，所以理论方法在完全模拟其物理特性上，存在较大困难。

且使用理论计算方法预报的噪声结果，与实际值之间的误差较大，不宜采用，因此先采用模型实验，再通过比尺法进行换算的方法对其预报。

与此同时，随着计算机计算能力的超速提高，数值模拟的计算周期和计算成本均得到了大幅降低。

另外数值模拟可以获得模型试验中，难以进行测量的流场细节，所以越来越多的研究人员致力于研究螺旋桨的数值预报方法。

并且，螺旋桨叶的材料对噪声也有一定的影响，那具体的影响又都是哪些呢？

传统的常规金属螺旋桨，通常是通过降低空泡起始航速、对剖面压力分布进行优化或者对尾流场进行改善等方法来降噪的。

而要求达到航速高但噪声低的金属螺旋桨，设计空间有限，采用复合材料后，在材料方面大大提升了设计空间。

但由于复合材料的使用，桨叶弹性会引起结构产生变形，从而使得耦合噪声变得明显，我们在之前螺旋桨流动噪声的基础上，对于耦合低频振动噪声展开了研究。

我们采用了RTM复合材料成型工艺，制作了新型碳纤维螺旋桨。

并在空泡水筒中对其进行试验，将金属铝桨作为对照，设置了三种来流速度下的噪声试验，分别为1.67m/s、2.08m/s、2.92m/s。

在碳纤维的复合材料螺旋桨没有出现唱音，而铝合金材料的桨出现了唱音，所以相较于传统螺旋桨，复合材料螺旋桨的噪声声压级降低得显著，降噪的效果较好。

并且我们在Workbench平台上，对DTMB4381螺旋进行了双向流固耦合计算，分别研究了两种螺旋桨材料对于噪声性能的影响，它们分别是铜合金与碳纤维复合材料。

通过在频域内比较两个桨的的脉动压力特性，发现采用碳纤维复合材料的螺旋桨，相较于传统螺旋桨有减振降噪的优点。

同时利用计算流体力学软件，基于CFD流固耦合方法，研究柔性螺旋桨在非定常载荷下的结构特性响应，以及在静水中固有特性。

并且对于柔性螺旋桨在水动力计算中，振动响应特性和固体固有特性当中的联系做了分析，为进一步分析螺旋桨流固耦合下，产生变形而产生的振动噪声做准备。

这次我们的研究对象为，具有各向同性弹性材料的E1619七叶大侧斜螺旋桨，基于CFD/FEM方法，研究了该螺旋桨的水动力特性、振动以及噪声特性。

对比了相同转速和进速系数下，弹性螺旋桨和刚性螺旋桨的水动力噪声，结果表明两者噪声特性存在明显差异，刚性螺旋桨的声压级指向性呈现“8”字形分布。

而弹性螺旋桨在各个观测点上，测得的声压级相差很小，总体来看弹性桨的噪声总声压级低于刚性桨，但是在较低和高频范围内，弹性桨的声压级高于刚性桨。

我们通过选择三种柔性螺旋桨，其中一种的材料是碳/环氧复合层压板组成的，另外两个是由不同纤维阵列的玻璃/环氧层压板组成的，并且采用了不同的剪裁方式。

比较这三种材料下，螺旋桨的水动力性能，得到叶片的螺距随着叶片偏移的增加而减小。

而叶片的螺距分布，是由叶片的剪裁方法和灵活性决定，另外在噪声方面，表明声压级与螺旋桨的推力成正比，并从一千赫兹开始增大。

我们还考虑了轴和叶片弹性的影响，建立了流体与螺旋桨轴系统的流体结构相互作用模型，通过观察轴向激励的特性，和通过轴对船体的传动机理，前四阶模态成为局部模态，第五阶成为水母模态。

其对螺旋桨的纵向激发力有重要的影响，局部模式考虑轴的存在影响较小，而水母模式时忽略轴的存在，影响较大。

而且桨叶变形也是水动力产生噪声的一个重要的影响因素。

对于传统刚性螺旋桨无空泡噪声的研究，桨叶表面应力张量变换，引起的水动力噪声和桨叶变形产生位置变化，而贡献的噪声单独进行分析。

但复合材料螺旋桨相对于传统螺旋桨，在相同的流场作用下，振幅大大增加，使一阶低频振动变得明显。

并且由于水动力噪声和由流场引起的桨叶变形产生的噪声，发生位置相同，量级、频率相当，并且在相同的时间发生。

因此将两者结合分析，可以更全面的分析螺旋桨非空泡噪声，而螺旋桨桨叶变形，可能对噪声产生的影响，主要表现在两方面。

其一就是柔性螺旋桨在流场的作用下，可能产生均匀的空间位置变化，对于噪声可能会产生影响。

另一方面，柔性螺旋桨在做旋转运动时，可能会受到周期性的载荷，而产生周期性的位置变化，对于噪声可能会产生影响。

针对以上两个方面，按照不同的需求，首先编写变形函数，模拟产生不同的变形，定性分析桨叶变形对于噪声的影响。

但当柔性螺旋桨真正在流场中运动时，产生的变形是耦合的结果，因此对螺旋桨做在非均匀来流下的流固耦合仿真分析，并提取经过流固耦合计算的部分流场数据，进行噪声计算，做进一步分析，定量探究桨叶变形对于螺旋桨噪声的影响。

所以研究船舶噪声问题是十分有必要性的，特别关注了船舶噪声，对于民用和军用船舶的多方面危害，着重分析了螺旋桨噪声，包括空泡噪声和无空泡噪声，以及桨叶变形对噪声的影响。

并且提到了不同的预测方法，如模型试验、理论计算和数值模拟，并突出了复合材料螺旋桨在降噪方面的优势。

最后，还讨论了螺旋桨的弹性和其对噪声的影响，为船舶设计和建造，提供了有价值的见解和方法。