流速调制下翼型空化噪声特征与源机制研究

本研究针对船舶推进系统中空化噪声对性能与生态的影响问题，通过实验与数值模拟相结合的方法，探究了NACA0015翼型局部空化振荡（PCO）状态下的噪声-流速关联机制。基于Lighthill声类比和涡声理论，揭示了流速提升导致声压级（SPL）增高、壁面指向信号增强等规律，并提出通过抑制空化云溃灭和尾缘振荡等策略实现噪声控制，为船舶声学优化提供了理论依据。

　　

在海洋工程领域，空化现象如同一个顽皮的"气泡恶魔"——当流体局部压力低于饱和蒸汽压时，它会突然现身，引发剧烈的空泡生成、演变和溃灭。这一过程不仅会在螺旋桨、水泵等设备表面留下侵蚀的"伤疤"，还会产生高达50分贝的宽带噪声，严重威胁船舶声隐身性能与海洋生物环境。尽管空化噪声研究已开展数十年，但流速参数如何调控噪声源机制这一关键问题，仍像一团迷雾笼罩着学术界。

浙江大学航空宇航学院的研究团队选择NACA0015这一经典翼型作为"解剖对象"，通过独创性的"实验测量+数值模拟"双管齐下策略，首次系统揭示了局部空化振荡（PCO）状态下噪声随流速变化的演化规律。这项发表在《Ocean》的研究，就像给空化噪声装上了"X光机"，让科学家们能清晰观察到噪声产生的内在机理。

研究团队搭建了截面200mm×200mm的空化水洞实验系统，采用高速摄像与声压传感器同步采集技术，结合基于FW-H（Ffowcs Williams-Hawkings）方程的可渗透表面声学模拟方法。特别引入改进的DCM-SST湍流模型处理空化流动，并运用涡声理论解析瞬态声源特征，在保证y⁺值20-60的网格精度下完成了多工况对比。

流速对整体空化噪声的影响
统计30个空化周期数据发现：当流速从7m/s提升至12m/s时，声压级（SPL）增幅达15dB，且壁面指向声信号占比提高23%。频谱分析显示高频成分（>800Hz）能量提升40%，但低频仍占据主导地位，这就像交响乐团中低音提琴声部始终把控主旋律。

质量脉动（单极子）噪声组分
通过气泡辐射理论解析发现：远场噪声主要源自空化云集体溃灭，而壁面信号则与附着空腔体积脉动直接相关。流速增加使特征脉动频率向高频迁移，并加速湍流驱动溃灭过程——好比给气泡群按下"快进键"，使其生命周期缩短25%。

载荷（偶极子）噪声组分
涡声理论分析表明：流速提升不仅使声强均值增加8.7dB，还使相干结构尺度扩大1.8倍。尾缘涡脱落与回射流（re-entrant jet）的耦合作用，就像"水下打击乐"般产生脉冲式高频噪声。

这项研究如同绘制出一张"空化噪声基因图谱"：针对单极子噪声应重点抑制大尺度空化云溃灭，而对偶极子噪声需控制尾缘振荡与空腔塌缩。提出的几何优化策略使改良翼型在300-500Hz频段实现7.58dB降噪效果，为船舶推进系统声学设计提供了精准"手术方案"。该成果不仅填补了流速-噪声关联机制的理论空白，更开创了基于瞬态源特征的主动降噪新范式，对发展绿色船舶技术具有里程碑意义。