基于流体动力学-声学耦合分析的仿生低噪声泵喷叶轮设计

《IEEE Journal of Oceanic Engineering》：Biomimetically Inspired Design of a Low-Noise Pump-Jet Impeller Based on Hydrodynamic–Acoustic Coupling Analysis

本研究提出基于涡声理论的水动力学-声学耦合方法，用于泵喷推进器设计优化。通过仿猫头鹰翅膀锯齿边缘结构，结合响应面法优化参数，实验表明锯齿结构使效率提升1.5%，降噪2.3-5.1dB，间距影响效率，高度影响降噪。

　　

摘要：

泵喷推进技术越来越多地应用于无人水下航行器的推进系统。其中一个关键的研究方向是模仿生物特性来设计泵喷推进器，以提高效率并降低噪音。然而，由于缺乏能够准确捕捉复杂内部流动与声波传播之间相互作用的有效数值方法，因此很难准确评估这类设计的效果。本研究提出了一种基于涡流声学理论的流体动力学-声学耦合方法，用于泵喷推进器的设计，并通过水洞实验的结果对该方法进行了验证。受猫头鹰翅膀锯齿状后缘的启发，每个转子叶片都采用了仿生锯齿结构。通过响应面方法对锯齿几何形状进行了优化，优化目标包括提高水力效率和降低噪音。实验结果表明，与原始模型相比，优化后的模型在最高效率点上提升了1.5%，且该点的位置更接近设计要求。锯齿结构减少了压力梯度，抑制了叶片尖端的回流，延缓了流动分离，并减弱了大尺度涡流。改进后的后缘在不改变声谱特性的前提下降低了噪音幅度，总声压水平降低了2.3–5.1分贝。在所有锯齿参数中，间距对效率的影响最大，而高度对噪音抑制效果最为显著。

引言

随着人类水下活动的增加，无人水下航行器（UUVs）因其自主性、多功能性和长期连续运行能力而得到广泛应用[1]、[2]。隐身性和能源效率是UUVs的关键设计因素，这些特性使得UUVs能够在防御领域执行隐蔽任务，并在工业应用中提高续航能力和成本效益。通常使用高推进效率的螺旋桨来驱动UUVs以低速行驶。然而，螺旋桨产生的较大辐射噪音会降低UUVs的隐身性能。近年来，由于泵喷推进器在运行过程中产生的辐射噪音较低，因此受到了关注。在泵喷推进器的设计中，推进效率和噪音是至关重要的指标，从工程应用的角度来看，优化这些参数至关重要。