螺旋槳中的流動噪聲問題

吳佳峰，黃 迅

(1. 北京大學 工學院 航空航天工程系，北京 100871；2. 北京大學 湍流與復雜系統國家重點實驗室，北京 100871)

0 引 言

20 世紀60 年代以來，螺旋槳噪聲作為航空發動機、水下航行體和風力發電機等應用中的重點問題，受到各國學者的廣泛關注和研究。除了影響乘客舒適性，螺旋槳噪聲還會對軍用飛行器和潛艇的聲隱身性帶來負面影響。隨著我國國防重大裝備需求的不斷提升，以及民用飛機發展乃至下一代綠色環保飛行器等需求的提出，對螺旋槳噪聲源、噪聲源與機體流動耦合、遠場輻射的機理進行預測和控制，成了迫在眉睫的問題。

空氣中的螺旋槳噪聲問題屬于氣動聲學的研究范疇。如果考慮水下的噪聲問題，學界更普遍地將其稱為流動噪聲或者流致噪聲。盡管空氣和水的可壓縮性和黏性存在很大不同，使得這兩種介質中，無論是各噪聲源的種類和聲壓級大小，還是噪聲的產生和輻射機理，都有一定區別，但是對于水下的無空泡情況，所用的基本研究方法和工具還是源于氣動聲學。

流動噪聲的研究工作可以追溯到第二次世界大戰結束前后，南安普頓大學的Lilley 對射流噪聲的研究[1]。不過學界普遍以Lighthill 在1952 年研究射流噪聲時，提出的聲比擬思想作為氣動聲學的起源標志[2]。該方法的基本思想是從流體力學著名的Navier-Stokes 方程出發，將方程左端重組為波動方程，右端則與波動方程數學形式上相似，重組為等價的氣動聲源。有關聲比擬方法的提出和發展歷程，以及學界對聲比擬思想的質疑和捍衛，感興趣的讀者可以參考氣動聲學的綜述文章[3]，本文不再贅述。

螺旋槳噪聲問題涵蓋的應用相當廣泛，從20 世紀60 年代的葉輪機械噪聲問題[4-6]、20 世紀70 年代的水下螺旋槳噪聲問題[7-8]、20 世紀80 年代的直升機旋翼噪聲問題[9-11]和開式轉子噪聲問題[12-13]，到近兩年受到關注的無人機螺旋槳噪聲問題[14-17]和面向未來 的 翼 身 融 合 布 局（blended wing body，BWB）飛機[18-21]等問題，這些問題的產生和發展多是從實際需求出發。從物理機制而言，主要包含吸入湍流噪聲（turbulence ingestion noise，TIN）、轉 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）噪聲等問題。

從近幾年AIAA/CEAS 氣動聲學年會的研究工作情況，可以大致看出該學科的研究現狀和發展方向。圖1 統計了2018～2021 年AIAA/CEAS 氣動聲學年會中，有關螺旋槳噪聲問題和應用的研究論文數量，主要包括城市無人飛行系統噪聲、螺旋槳及垂直起降噪聲和渦輪機械噪聲（其中2020 年由于新冠疫情的影響，會議論文數量大幅減?。？梢钥闯觯?018 年，渦輪機械噪聲的研究工作占了大部分；到了2021 年，渦輪機械噪聲的研究熱度已經降低；而與之相對的，螺旋槳噪聲，尤其是來自無人機旋翼的噪聲，在近年受到了學界越來越多的關注。

圖1 近年AIAA/CEAS 氣動聲學年會的論文數量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題的歷史發展、研究現狀；接著從實際需求出發，對螺旋槳噪聲現在的及未來可能的應用等方面進行展開。拋磚引玉，希望能為感興趣的讀者進一步選取研究切入點提供參考。

1 基線問題

吸入湍流噪聲問題是螺旋槳氣動聲學的基線問題，主要起源于20 世紀70 年代初。賓夕法尼亞州立大學的Sevik[7]提出水下螺旋槳在格柵湍流中存在非定常脈動推力和與之直接相關的流動噪聲問題。

基于兩點的速度相關函數和Sears[22]的二維薄翼升力理論，Sevik 提出了一個頻域的理論模型來預測螺旋槳的非定常脈動推力和遠場聲輻射；并在水洞中對一個10 葉螺旋槳的推力進行了試驗測量，以驗證理論方法。Sevik 在水洞試驗中，分別使用了網格間距為4 in 和6 in（1 in ≈ 0.025 4 m）的湍流格柵產生近似均勻、各向同性的湍流，并在湍流格柵后方20 倍的網格間距處設置螺旋槳，測量該螺旋槳在格柵湍流激勵下的非定常脈動推力響應。其中，螺旋槳的直徑為0.203 2 m，來流速度為4.69 m/s，進速系數為1.22。試驗結果表明，螺旋槳的非定常脈動推力頻譜分為低頻寬帶脈動力和葉頻線譜力兩個部分。該理論模型成功地預測了非定常脈動推力頻譜的低頻寬帶部分，但無法解釋“駝峰”（又稱“干草垛”）現象。該現象指葉片通過頻率（blade passing frequency，BPF，即葉頻）及其倍頻附近出現了寬帶峰值，該峰值對應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推力的實驗和理論結果[7]Fig. 2 The experimental and theoretical results of rotor unsteady thrust[7]

這種由Sevik 首先發現的現象，數十年來始終是一個具有挑戰性的研究熱點，促進了螺旋槳吸入湍流噪聲問題研究的發展。但是學界至今沒有對此完全達成共識，特別是寬帶峰值對應的頻率相對于葉頻及其倍頻右移的原因。隨后，賓夕法尼亞州立大學的Thompson[8]對Sevik 的試驗，特別是與非定常脈動推力測量相關的試驗，進行了重復和補充。

20 世紀末，針對Sevik 發現的“駝峰”現象以及水下螺旋槳的非定常脈動推力和噪聲問題，美國的學者和海軍研究機構進行了深入的理論研究。美國海軍水面作戰中心的Blake[23]從頻域出發，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測的基本方法之一，后人提出的理論方法大多是在譜方法的基礎上進行更進一步地發展。

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度上下表面的壓力差導致的非定常升力，然后在展向方向積分，即可求出螺旋槳的非定常脈動推力譜和遠場聲壓譜。在譜方法的實際應用中，葉片展向方向的積分難以求解，因此往往會和Kirschner[24]提出的條帶數值法相結合。即，將螺旋槳沿徑向劃分為若干條帶，通過物理量在各條帶上的累加來獲得展向方向的積分。根據湍流積分尺度相對于螺旋槳葉片弦長的大小，Blake用兩個漸近式的形式給出了理論模型。Blake 的小長度尺度湍流模型與 Sevik 的理論模型相似，能夠預測非定常脈動推力譜的寬帶部分，但忽略了葉片之間的旋轉相關性，因此無法預測“駝峰”現象；大長度尺度湍流模型能夠解釋葉頻及其倍頻附近的峰值，但未能預測非定常推力譜的寬帶部分，并高估了峰值的幅值大小。

Jiang[25]通過修正速度相關函數來引入旋轉效應，提出了一個統一的相關模型，該模型可以同時考慮小尺度和大尺度湍流的貢獻，從而同時預測出非定常推力頻譜的寬帶和峰值部分。Jiang 的模型預測中，非定常推力頻譜的峰值大小較低，峰值對應的頻率也略高于Sevik 的試驗結果。 Martinez[26-28]提出的理論模型首次考慮了徑向脈動力和螺旋槳葉片數（大于等于6）的影響，但沒有考慮不同角度的徑向力之間的互相關，以及徑向力和軸向力之間的互相關。該模型預測的二次葉頻附近峰值的幅值遠低于Sevik[7]的試驗數據。

從21 世紀開始，與Sevik 工作相關的水下螺旋槳噪聲研究中，幾乎找不到公開發表的來自美國的研究工作。但從公開的文獻推斷，Sevik 的10 葉槳模型依然被美國的研究人員大量采用，只不過試驗多從水洞中轉到了風洞中而已。

21 世紀初，美國海軍水面作戰中心的Blake 和圣母大學的Wojno 等在風洞中開展了一系列試驗和理論研究[29-32]。不同于之前假設來流為均勻各向同性湍流的研究工作，他們結合譜方法發展了半經驗方法，考慮了非均勻來流的影響。風洞試驗中的其他試驗條件，例如來流馬赫數、進速系數、湍流格柵的孔隙率和雷諾數等參數，都與Sevik 的水洞試驗[7]中的參數相同[31]。他們首先通過試驗測量了格柵湍流的湍流統計特性，代入湍流波數譜和流體動力響應函數；然后利用譜方法得到螺旋槳的非定常脈動推力譜和遠場聲壓譜；最后將試驗測量得到的遠場聲壓譜與該理論方法預測的結果進行對比，如圖3[32]所示。他們的半經驗方法是對Blake 提出的譜方法[23]的發展，該方法準確地估計了螺旋槳噪聲的寬帶部分，但由于低估了葉片之間的旋轉相關性，該方法預測的峰值幅值小于Sevik 的試驗結果。

圖3 螺旋槳噪聲的預報方法[31]Fig. 3 Prediction methods for the rotor noise[31]

2012 年，美國海軍水面作戰中心的Catlett 和Anderson 等[33]繼續在風洞中進行試驗，將螺旋槳設置在某大型氣動面后方，研究位于剪切流來流中的螺旋槳的非定常脈動推力和噪聲譜。與之前的格柵湍流來流的特性不同，這種剪切流在周向是不對稱的，因此螺旋槳在旋轉時的來流具有時間和空間上的非均勻性和各向異性。為了考慮來流的非均勻性和各向異性，他們將坐標變換后引入到湍流模型中，并使湍流模型的參數可以在螺旋槳盤面上變化；然后用試驗測得的兩點的速度相關函數等參數來表征來流的統計特性，從而實現了對非均勻各向異性剪切來流的半經驗建模。非均勻各向異性模型預測的遠場聲壓譜與試驗結果取得了較好的一致性，驗證了該方法的可靠性。

長期以來，學界一直認為螺旋槳的軸向脈動力（即脈動推力）在遠場聲輻射中占據主導地位，在譜方法中也僅考慮了螺旋槳的非定常軸向脈動力作為偶極子聲源對遠場輻射噪聲的貢獻。2015 年，美國海軍水面作戰中心的Anderson 和Catlett 等[34]再次對螺旋槳非定常脈動力的預測方法進行了發展，在時域上提出了新的理論模型，考慮了螺旋槳的徑向脈動力對遠場輻射噪聲的貢獻。理論預測的結果與試驗的結果取得了較好的一致性，并且證實當葉片的槳距角達到45°時，螺旋槳的徑向脈動力的偶極子聲源強度與軸向脈動力的聲源強度基本相同。

近年來，作為水下螺旋槳噪聲研究的基線問題，Sevik[7]提出的螺旋槳非定常脈動推力和噪聲問題也受到了國內學者的廣泛關注。中國船舶科學研究中心的熊紫英、朱錫清等[35]驗證了譜方法和條帶數值法等螺旋槳低頻寬帶噪聲的預測方法，對水下螺旋槳在入射湍流激勵下的螺旋槳噪聲進行了試驗和理論研究，并分析了湍流統計量（湍流度、湍流積分長度）和螺旋槳設計參數（直徑、弦長、葉數等）對螺旋槳噪聲的影響。理論結果與Sevik 的試驗結果總體趨勢一致，在一階葉頻處有較好的一致性，但是預測的二階葉頻處寬帶峰值對應的頻率高于試驗結果。浙江大學的吳大轉課題組[36]利用數值模擬方法，對Sevik 的基線試驗中的螺旋槳非定常脈動推力進行了預測。他們首先在入口引入合成湍流，然后利用大渦模擬（LES）方法進行模擬。數值模擬得到的結果與Sevik 的試驗結果總體趨勢一致，但是在二階葉頻處依然與試驗結果有差別。清華大學的蔣靖偉、黃偉希等[37]利用譜方法和條帶數值法，對螺旋槳非定常脈動推力進行了預測，數值模擬的結果同樣在二階葉頻處與Sevik 的試驗結果有較大差別。

值得注意的是，在與Sevik[7]公布的原始試驗數據進行對比的過程中，北京大學的黃迅發現了Sevik 文章中的試驗數據有錯誤。在Sevik 的試驗數據中，螺旋槳在4 in 湍流格柵后方，非定常脈動推力譜一階葉頻處的幅值約為 -2 dB，而Jiang[25]引用的該數據約為-15 dB。美國學者后來的文章都在有意無意地回避這一點。甚至，即使是Sevik 的同一篇文章[38]，引用的數據中一階葉頻的幅值也各不相同。經過窮搜文獻，最終發現Paul 等[39]明確指出Sevik 的原始數據后處理有誤（“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、楊周劍云針對此問題進行了探索和數值驗證，對Sevik 螺旋槳在格柵湍流下的非定常脈動推力譜進行了數值模擬。該研究采用開源軟件OpenFOAM 的延遲分離渦（DDES）模型，模擬來流（入口來流無湍流度）在湍流格柵后方的自由發展，從而考慮吸入格柵湍流的非均勻性和流動結構對螺旋槳非定常脈動推力的影響；分析了格柵湍流的統計特性，并證實了Sevik 試驗數據后處理錯誤的原因，明確了Sevik 文獻中螺旋槳非定常脈動推力譜的一階葉頻峰值的試驗結果應該修正 13 dB，修正后的結果為-15 dB。至此，Sevik 的基線試驗已經得到我國學者的充分驗證。

不過，對于水下螺旋槳吸入湍流噪聲問題，相關流動和聲學的機制，特別是格柵湍流來流的非均勻性、各向異性，以及來流的湍流結構與葉片的相互作用，對“駝峰”的產生有怎樣的影響，還沒有得到充分研究。因此，Sevik 提出的基線問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，相關工作對于未來混合動力航空發動機、多電乃至全電航空發動機的設計有重要的科學意義和應用價值。

2 物理機制

2.1 轉定干涉噪聲問題

轉定干涉（又稱轉靜干涉）主要是指轉子旋轉時與前方定子尾流的相互干涉現象，廣泛存在于航空發動機中，會產生聲輻射，影響推進效率。

研究表明，轉定干涉是航空發動機遠場輻射噪聲的主要聲源[40]。除此之外，航空發動機的噪聲問題還包括轉子的自噪聲問題、定子和轉子前緣與邊界層吸入湍流的相互干涉等問題，具體可以參考劍橋大學的Peake[41]撰寫的綜述文章。各國學者已經對航空發動機的噪聲問題進行了深入研究[42-44]，并發展出了聲襯[45]、定子的前后緣鋸齒[46-47]、定子的前傾和側斜[48-50]等降噪手段，在本文中將不展開敘述。

值得注意的是，轉定干涉的物理機制與定子尾流的流動特性具有很大的關系。Zdravkovichp[51]在對圓柱尾流的研究中，將圓柱在均勻來流中的流態進行了分類：層流、尾流的轉捩、亞臨界（指自由剪切流向湍流的轉捩）、臨界（指在邊界層中向湍流的轉捩）和充分發展湍流。

當轉子與定子的距離大到一定程度時，轉子與定子產生的剪切流的相互干涉將會轉化成轉子與定子周期性脫落的尾渦的相互干涉，即亞臨界流態。此時的流動和聲學特性與近距離的轉定干涉有明顯區別。例如，此時螺旋槳的非定常脈動力譜和遠場聲壓譜，除了葉頻及其倍頻附近存在寬帶峰值外，還會在定子的渦脫落頻率上出現較高的峰值[52-54]。

對這種亞臨界流態的研究，最先來源于飛機的起落架噪聲問題，因此目前的研究大多還局限于前方圓柱、后方機翼的二維簡化設置[55-57]，沒有考慮到三維的流動效應。對于亞臨界距離的大小，目前還沒有定論，不過在圓柱-機翼設置中，其大致范圍為2～4 倍的圓柱直徑[56]。

水中裝備系統的特殊性在于，除了航空中常見的轉定干涉，還存在定轉干涉和定轉定干涉等新情況。研究航空發動機、潛艇泵噴推進器等的亞臨界現象以及確定亞臨界距離，有助于加深對轉定干涉現象的理解，促進未來航空發動機和潛艇的設計。

2.2 轉子-邊界層吸入湍流噪聲問題

轉子-邊界層吸入湍流噪聲問題近年來得到了國外學者的關注，該問題繼承于Sevik[7]提出的螺旋槳吸入湍流噪聲基線問題，由下一代翼身融合布局飛機[18-21]的設計需求驅動。翼身融合布局飛機將高效的高升力翼型與寬翼型機身相結合，從而提高升力的同時將阻力降到最低。早在20 世紀80 年代的B2 轟炸機的設計中，就有翼身融合布局設計概念的雛形。21 世紀初，波音公司和美國國家航空航天局（NASA）開展了合作，對翼身融合試驗機型X-48 系列進行了設計和試驗，如圖4 所示。系統性的設計可以參考波音公司Liebeck[18]的文章。近年來，隨著各國陸續宣布將在2050 年實現碳中和的目標，如何對下一代的汽車、飛機進行設計，成為了工業界和學術界越來越關注的問題；而翼身融合布局飛機就是未來飛機設計中，實現減排降噪的可行方案之一，并且其在轟炸機和無人機等軍用領域、民用領域也具有較大的發展潛力。

圖4 翼身融合布局試驗機型（圖片來源：NASA）Fig. 4 Blended-wing-body testing aircraft

在翼身融合布局飛機的設計中，通常將發動機進氣口安裝在機翼后緣，目的是通過吸入吸力側的邊界層最厚部分，來改善巡航的燃油消耗[58]。這種設計帶來的問題是在翼身融合布局飛機起降和巡航的所有階段，發動機的進氣口都會吸入大量較厚的邊界層湍流，并與發動機的定子和轉子的前緣相互作用，產生振動和噪聲問題。除了翼身融合布局飛機之外，在一些未來飛機的設計概念中，例如NASA 的D8 型亞聲速飛機的設計，也考慮到通過發動機吸入較厚的邊界層湍流來提高效率、改善噪聲問題。對于吸入邊界層厚度超過100%葉片弦長的邊界層吸入湍流噪聲問題，現有的理論模型都不適用，也缺乏詳盡的試驗研究[59]。因此，研究轉子-邊界層吸入湍流噪聲問題，將有助于未來飛機的設計，從而實現節能減排的目標。

2012 年開始，弗吉尼亞理工大學的Devenport、Alexander 與佛羅里達大西洋大學的Glegg 等進行了一系列理論研究和試驗[60-63]，研究轉子對吸入平板邊界層湍流的噪聲響應。他們在弗吉尼亞理工大學的風洞中，試驗測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場聲輻射。試驗結果顯示[63]，在高推力工況下，遠場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”現象是在低推力或中等推力工況下，多個葉片切割相同的大尺度湍流結構產生的，也就是上文中提到的葉片之間的旋轉相關性。此外，他們還發現在螺旋槳盤面附近出現了邊界層分離，這些結構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，代爾夫特理工大學的Casalino等[64]基于格子玻爾茲曼（lattice Boltzmann method，LBM）方法，對該試驗設置進行了數值模擬研究。

在第27 屆AIAA/CEAS 的氣動聲學年會中，Devenport、Alexander 和Glegg 等[65]繼續開展合作，對轉子-吸入邊界層湍流噪聲問題進行試驗研究。在風洞中，試驗測量的5 葉螺旋槳放置在回轉體后方，以研究螺旋槳在回轉體的邊界層湍流中的遠場噪聲。同時，圣母大學的王萌[66]基于大渦模擬方法，對該試驗設置進行了數值計算研究。計算模擬結果與試驗結果取得了較好的一致性。結果表明，“駝峰”的峰值出現在葉頻及其2～4 倍倍頻附近，對應的頻率相比葉頻及其倍頻右移了8%～12%。

3 實際應用

3.1 下一代飛機設計

為了實現2050 年碳中和的目標，除了比較具有潛力的翼身融合布局飛機之外，開式轉子飛機、混合動力飛機和純電動飛機也是可能的發展方向。

開式轉子發動機（又稱槳扇發動機）最先來源于20 世紀70 年代的石油危機中，是由NASA 提出的設計概念，其主要優勢是相對于目前普遍使用的渦扇發動機，它可以節省25%～35%的燃油成本[67]。該設計包括單轉或者對轉的螺旋槳，其中螺旋槳的葉片數量相對較少，葉片直徑較小而葉型高度扭曲。20 世紀80 年代，NASA、漢密爾頓標準公司、通用電氣公司和道格拉斯公司等機構，對開式轉子發動機和開式轉子飛機進行了大量試驗。然而這些試驗項目都沒有取得成果，主要原因是開式轉子發動機螺旋槳噪聲過大，該瓶頸問題沒有取得進展，且燃油價格相對石油危機時已經大幅降低，因此開式轉子發動機失去了與傳統渦輪風扇發動機相比的競爭優勢。關于開式轉子發動機的發展歷史，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，隨著各國提出減少碳排放的目標，開式轉子發動機，特別是對轉的開式轉子發動機，重新受到了各國學者的廣泛關注，每年都有大量的試驗、理論和計算研究發表在航空航天和氣動聲學領域的重要期刊[69-74]。螺旋槳的氣動聲學問題，成為了開式轉子發動機研究中最重要的問題之一。

混合動力飛機主要由渦輪和電力驅動，在近年也受到了一些機構和學者的關注，是未來飛機設計的可行方向。在過去幾年，NASA 與波音公司合作，先后提出了亞聲速超綠飛機、N3-X 型混合動力的翼身融合布局飛機和STARC-ABL 渦輪電動飛機等設計概念[75-77]；空客公司提出了E-Fan X 混合動力飛機的設計概念；而其他的中小型飛機制造商也對未來混合動力飛機的設計進行了規劃。在學術界，各國學者對混合動力飛機開展了研究[78-80]，不過目前發表的工作大多局限于小型混合動力飛機的設計。而對于純電動飛機，目前發動機的功率和電池存儲等瓶頸問題還難以解決。因此可以預見，混合動力飛機將在未來具有更高的可靠性和更大的潛力。

3.2 無人機

如上文所述，根據圖1 統計的近年來AIAA/CEAS氣動聲學年會的研究數量來看，除了螺旋槳自噪聲、渦輪機械問題之外，無人機的氣動聲學問題也受到學界越來越多地關注。無人機在城市運輸系統和軍用偵查等方面具有可觀的前景。

與航空發動機和水下螺旋槳的雷諾數普遍在數十萬到上百萬不同，典型的無人機螺旋槳的雷諾數在數萬到上十萬范圍。因此，作為低雷諾數螺旋槳，無人機螺旋槳的流動現象和聲學特性也與高雷諾數螺旋槳有顯著區別，具體表現為流動更易分離、轉子和流動結構的相互干涉更為復雜等。對無人機螺旋槳噪聲問題的關注始于2016 年，美國航天局蘭利研究中心的Zawodny 等[81]在消聲室中，對無人機二葉螺旋槳的自噪聲進行了試驗測量。結果表明，無人機螺旋槳的遠場聲壓譜由三個部分組成：除了低頻的寬帶部分、葉頻及其倍頻附近的寬帶峰值之外，還有頻率在數千到上萬赫茲的轉子后緣噪聲。

螺旋槳葉片與來流湍流的相互作用是噪聲和不穩定載荷的主要來源。對于主要在低雷諾數工況下工作的無人機螺旋槳，其流動和聲學現象與傳統的高雷諾數螺旋槳有明顯不同，并且尚未得到廣泛研究。2020 年，北京大學的陳望橋、黃迅等[82]發展了新的時頻域聲成像方法，并結合粒子圖像測速技術（particle image velocimetry，PIV），對無人機螺旋槳的轉定干涉流動現象和聲源分布進行了研究。試驗結果表明，聲源的分布以及主要聲源的頻率變化，與轉定干涉過程具有直接的聯系。隨后，他們對無人機螺旋槳在剪切層中的噪聲進行了試驗研究[83]。聲成像的試驗結果表明，后緣噪聲主要來自葉尖部分，且剪切層與螺旋槳之間的相互作用通過減小葉尖渦來抑制后緣噪聲。最近，黃迅課題組的吳佳峰[84]基于延遲分離渦模擬方法，對無人機螺旋槳的轉定干涉現象進行了數值模擬研究。該工作解決了現有實驗技術中的一些測量難題，例如對葉片邊界層流動和葉片表面聲源的分析。數值模擬的結果表明，來流湍流會在葉片邊界層引起層流分離，并主要在葉片前緣產生聲源；層流分離的出現取決于葉片截面與局部速度的夾角。該研究對葉片之間的旋轉相關性進行了定義。分析表明，葉片之間的旋轉相關性在葉片前緣處最強，在葉片尾緣、葉尖和葉梢處會因為尾緣脫落渦和葉尖渦等流動結構的影響而減弱。

2021 年，代爾夫特理工大學的Casalino 等[16]和法國國立高等航空航天學院的Gojon 等[17]分別對無人機螺旋槳自噪聲的基線問題進行了定義。Casalino首先在消聲室中對無人機二葉螺旋槳的自噪聲進行了測量，然后與葉素動量理論（blade element momentum theory，BEMT）和格子玻爾茲曼數值模擬方法預測的結果分別進行對比，數值模擬結果與試驗測量結果取得了較好的一致性。香港科技大學的姜漢博、張欣等[85]對無人機螺旋槳的唱音噪聲的輻射模態和輻射效率進行了研究。他們在球坐標系中建立了厚度噪聲和載荷噪聲的預測模型，將數值模擬得到的流動變量作為輸入，并與消聲室中的試驗結果進行了對比和驗證。模型預測結果與試驗測量結果取得了較好的一致性。研究還表明隨著噪聲源接近旋轉中心，各模態的輻射效率迅速降低。因此，在設計低噪聲螺旋槳時，徑向的氣動載荷應當受到重點關注。

此外，各國學者也對轉子葉片表面的流動分離過程[86]、轉子與圓柱的相互干涉過程[87]、多轉子系統[14]等問題進行了廣泛研究。

3.3 水中裝備

螺旋槳噪聲、機械噪聲和水動力噪聲是船舶和潛艇等水中裝備的三大主要噪聲來源。螺旋槳噪聲是螺旋槳旋轉時所產生的噪聲，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、導邊噪聲和隨邊噪聲等。機械噪聲主要是推進系統的振動，以及螺旋槳的軸脈動力通過軸系耦合引起的艇體振動產生的噪聲。水動力噪聲主要非均勻的來流與艇體相互干涉產生的噪聲，以及潛艇的指揮臺、船舶的定子導葉等結構產生的流動分離導致的噪聲組成。水中裝備的噪聲組成如圖5 所示。盡管對水下航行體的主要噪聲源至今仍有爭議，但普遍的觀點認為：在水下高速航行時，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器時，空泡的產生將得到抑制，此時機械噪聲和螺旋槳的流致噪聲是主要的噪聲源。隨著船舶和潛艇設計的改進，螺旋槳附近空泡的產生將會推遲，臨界航速大幅提高，特別是對于需要在非空化條件下運行的潛艇，空化工況噪聲研究的實際意義將不再明顯。機械噪聲的聲壓級也隨著設計的改進而逐漸減小，這反而使得螺旋槳噪聲的研究，成為了船舶和潛艇設計中越來越重要的問題。

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測方法主要包括頻域法和時域法，其中頻域法又包括譜方法和相關法。在實際工程應用領域，Blake[23]提出的譜方法計算代價遠小于數值模擬方法，因而得到了廣泛應用。然而，譜方法等頻域法需要通過湍流波數譜和流體動力響應函數對來流的湍流信息進行定義，因此難以考慮非均勻來流和復雜流動結構的影響，對于復雜流動問題的求解能力有限。時域法只需得到螺旋槳的表面脈動壓力，即可通過聲比擬方法和FW-H 方程[88]求解得到遠場的輻射聲壓級。其中表面脈動壓力可以通過試驗測量獲得，但是對于螺旋槳等旋轉部件有一定困難，因此更多的是通過數值模擬方法來計算獲得。隨著計算機技術的發展，數值模擬的計算代價顯著降低，數值模擬方法在水下螺旋槳噪聲預測中具有越來越重要的作用。

國際上主流潛艇的聲壓級如圖6 所示。研究表明，水中裝備的遠場輻射噪聲的聲壓級每降低6 dB，則對方被動聲納的探測距離將縮小50%[89]。而且高速機動時，螺旋槳噪聲和艇體流動噪聲（乃至流固耦合發聲）會嚴重影響自帶聲納的工作性能。因此，潛艇的噪聲問題是潛艇設計中最重要的問題之一。

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

除了Sevik[7]的基線試驗之外，近年來各國學者對水下螺旋槳也有廣泛的試驗和計算研究。2012 年，明尼蘇達大學的Mahesh 等[90-91]基于大渦模擬方法，研究了DTMB 4381 型5 葉螺旋槳在不同進速系數的倒車工況下的流動特性，并研究了前方是否帶有艇體對流動的影響。之后，他們對該螺旋槳在設計工況下的尾流失穩特性進行了數值模擬研究[92]。2014 年開始，意大利國家研究委員會的Mascio 等[93-95]基于分離渦模擬（DES）方法，對INSEAN E779A 型四葉螺旋槳的尾流特性進行了一系列數值模擬研究。

相比于對螺旋槳流動特性的研究，更值得關注的是潛艇螺旋槳、魚雷和泵噴推進器等實際應用問題中的流動和聲學問題。

2013 年，愛荷華大學的Chase 和Carrica[96]對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DARPA AFF8 型潛艇和E1619 型7 葉螺旋槳的設置進行了數值模擬，并與激光多普勒測速儀（laser doppler velocimetry， LDV）的試驗結果進行了對比。此外，土耳其的?zden 等[97]和Sezen 等[98]也先后對DARPA AFF8 型潛艇和E1619 型7 葉螺旋槳的設置進行了數值模擬研究。

涵道螺旋槳是指被涵道包圍的螺旋槳系統，其被廣泛應用于船舶、魚雷等民用和軍用領域的推進系統。相對于孤立螺旋槳，該系統具有推進效率更高、氣動噪聲更低和安全性更高等優點，但對涵道和螺旋槳的外形設計具有較高的要求。2018 年和2020 年，哈爾濱工程大學的郭春雨課題組[99]和武漢理工大學的丁江明課題組[100]先后基于分離渦模擬方法，對涵道螺旋槳尾流特性進行了數值模擬研究。而對于涵道螺旋槳的降噪設計，思克萊德大學的Stark 等[101]將氣動聲學中廣泛使用的鋸齒狀仿生降噪結構應用于涵道螺旋槳的涵道前緣，用雷諾時均模擬（RANS）預測涵道螺旋槳表面的渦量和壓力分布，對不同鋸齒外形設計的結果進行了對比。但由于雷諾時均模擬方法無法對瞬態物理機制進行有效預測，因而也無法對涵道螺旋槳的遠場聲壓進行分析。

從上述文獻可見，對于水下螺旋槳問題，公開發表的絕大多數文獻局限于對尾流等流動特性的研究，而避開了較為敏感的水下聲學研究。特別對于當今國際上主流核動力潛艇采用的泵噴推進技術，能找到的公開發表的文獻少之又少，且大多數來自中國學者[102-104]。因此，研究和改進泵噴推進系統的流動和聲學特性，以及對下一代的潛艇的推進系統進行設計，例如能夠有效解決梢隙流動和軸系振動問題的無軸推進系統，仍然是當今工業界和學界亟需解決的重要問題。

4 小結和展望

螺旋槳噪聲是航空航天和水中裝備領域的重要問題。經過近60 年的研究和發展，在理論、試驗和計算等方面已經取得了不少突破，其研究成果在航空發動機、艦船和潛艇等領域有廣泛的應用。但實際應用中，螺旋槳噪聲問題涉及時間和空間上非均勻各向異性的湍流來流，乃至多尺度的湍流結構與葉片之間的復雜干涉作用，因此對于螺旋槳噪聲問題中的物理機制，學術界仍存在較大爭議。甚至對于已經提出數十年的螺旋槳吸入湍流噪聲的基線問題，各國學者雖然已經開展了大量研究工作，但對于理論模型的建立以及背后的物理機制，至今尚未完全達成共識。

我們認為螺旋槳噪聲問題的研究，主要有以下三個方向具有發展前景：

首先來自于實際工程問題的需求?？v觀螺旋槳噪聲乃至氣動聲學研究的發展歷史，可以看出工程實際需求與學術前沿研究并不是割裂的，大多數時候前者為后者指明了方向，促進了理論和試驗技術的發展。由于我國一系列重大問題，特別是國防領域不斷提升的需求，以及面向未來的綠色環保飛行器等設計的需求，螺旋槳流動噪聲問題的研究具有越來越重要的意義。對于一些重要的軍事應用領域，比如水中裝備的螺旋槳流動噪聲問題，在國外公開發表的文獻中幾乎找不到可供參考的資料，這對我國的理論和試驗技術的發展提出了更高要求，需要結合實際問題進行研究和創新。

其次是基本問題中的物理機制。研究螺旋槳噪聲基本問題中的物理機制，不僅可以促進湍流噪聲理論的發展，還能對實際工程應用有較大的助益。一些實際應用問題中包含了多個物理機制，比如泵噴推進器中包含了邊界層吸入、轉定干涉、梢隙流動和軸系耦合等問題。對于這些復雜的實際問題，深入研究基本問題的機制，有助于區分各物理機制對遠場輻射噪聲貢獻的主次，為進一步優化設計提供支持。

最后是新的數值模擬方法和試驗技術的推動。隨著計算機算力的不斷提高，以雷諾時均模擬、大渦模擬以及分離渦模擬等方法為代表的數值模擬方法在近年來逐漸成熟，并得到廣泛應用。在今后，數值模擬方法的發展將使對復雜流動現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制提供支持。而對于試驗技術，特別是要將氣動聲學試驗研究中普遍使用的聲源成像和PIV 等技術應用于水下螺旋槳，以及實現對高速螺旋槳的高精度試驗測量技術，目前還存在較大的挑戰，最大問題來源于信噪比和分辨率等因素的限制。因此，如何對現有的試驗技術進行創新，乃至發展新的試驗技術，是目前螺旋槳噪聲問題研究中需要面對的問題。