《Journal of Fluid Mechanics》：Comparison between the acoustic fields of contra-rotating and conventional marine propellers in wetted conditions and thrust similitude
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本研究针对对转螺旋桨(CRP)在产生相同总推力时，其声场特性是否优于常规单转子螺旋桨(FRONT/REAR)这一关键问题，通过大涡模拟(LES)和Ffowcs Williams-Hawkings(FWH)声学类比方法进行了深入探究。研究发现，尽管CRP系统的叶片载荷和脱落涡结构强度较低，但由于前后转子间的相互作用显著增强了叶片表面的载荷脉动，导致其辐射的线性声（负载声）反而高于常规螺旋桨。该研究揭示了推进器设计中效率提升与噪声控制之间的复杂权衡，对低噪声海洋推进器设计具有重要指导意义。
海洋推进器的声学特性研究对于环境保护、乘员舒适度以及军事应用的隐身性能至关重要。传统的单转子螺旋桨在推进过程中，流体会获得一部分 azimuthal 动量，这部分动量不仅无法用于产生推力，反而会造成能量损失，并产生有害的侧向载荷。对转螺旋桨(Contra-rotating propeller, CRP)作为一种先进的推进装置，其下游转子能够回收流经上游转子获得的周向动量，从而产生额外的推力，理论上可以显著提高推进效率。先前的研究表明，CRP系统在产生相同推力时，其推进效率可比常规螺旋桨提升约10%，并且其脱落的流动结构（如叶尖涡）强度也更弱。这似乎预示着CRP系统在声学表现上也会更优。然而，CRP系统前后转子及其尾流结构之间存在复杂的相互干扰，这种干扰又可能增强辐射噪声。那么，在推力相似的条件下，对转螺旋桨在声学性能上究竟能否超越常规螺旋桨？这一者之间存在着怎样的权衡关系？这项发表在《Journal of Fluid Mechanics》上的研究，正是为了解答这一核心问题。
为了探究上述问题，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，利用基于浸没边界法(Immersed Boundary Method)的大涡模拟(Large-Eddy Simulation, LES)技术，在一个包含46亿网格点的圆柱形计算域上，高精度地解析了CRP系统以及为产生相同推力而单独运行的其前、后转子（分别称为FRONT和REAR系统）在设计和非设计工况下的非定常流场。计算中采用了Nicoud和Ducros提出的壁面自适应局部涡粘模型(WALL)来模拟亚格子尺度应力。其次，基于LES计算得到的流场数据，采用直接的Ffowcs Williams-Hawkings (FWH)声学类比公式，在后期处理中重建了辐射声场。该方法分别计算了来自螺旋桨叶片表面的厚度声、负载声（合称线性声）以及来自流场涡量和湍流的四极子声（非线性声）。声压级(SPL)和总声压级(OASPL)被用来量化声学特征。研究还通过改变网格分辨率（细、中、粗网格）进行了网格无关性验证，并利用粒子图像测速(PIV)实验数据对数值模拟结果进行了验证，确保了计算结果的可靠性。
4.1 全局性能
研究首先对比了各推进系统的推力系数(KT)、扭矩系数(KQ)和推进效率(η)。结果表明，在产生相同推力（通过KT*验证）的条件下，CRP系统的推进效率确实高于FRONT和REAR系统，尤其在非设计的高载荷工况下，效率优势更为明显。这与CRP能够有效回收周向动量的设计初衷一致。
4.2 螺旋桨上的非定常载荷
尽管CRP系统中每个转子的叶片载荷低于单独工作的FRONT或REAR螺旋桨，但其叶片表面的压力脉动（负载声的源）却因转子间的相互作用而显著增强。具体表现为：CRP前转子压力面受到后转子叶片周期性通过的影响，后转子吸力面则处于前转子的湍流尾流中并受到前转子叶尖涡的撞击。这使得CRP系统辐射的线性声（尤其是负载声）整体上高于FRONT和REAR系统。
4.3 尾流动力学
流场分析显示，FRONT和REAR系统脱落的叶尖涡强度更高，呈现出典型的螺旋形拓扑结构。而CRP系统脱落的叶尖涡强度较弱，但由于前后转子叶尖涡之间的剪切作用，形成了更为复杂的孤立涡环结构，并在高载荷下产生了U形涡瓣。对Lamb矢量（非线性声的源项）的分析表明，在靠近转子的区域，非线性声源强度最大，且FRONT和REAR系统的峰值高于CRP系统。然而，CRP系统的声源区域因其双转子结构而更宽。
4.4 水声学
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径向声演化：在设计工况下，CRP系统的总声压级(OASPL)在近场略低于常规螺旋桨，但在远场因其线性声衰减较慢而反超。在非设计工况下，常规螺旋桨（尤其是REAR）的OASPL在所有径向位置均高于CRP系统，这归因于其更强的线性和非线性声。
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上游和下游声演化：无论是在上游还是下游方向，CRP系统的声场都表现出更强的指向性（偶极子特性），其OASPL在大多数位置高于常规螺旋桨，这主要源于其增强的线性声（负载声）。非线性声的贡献随着距离增加而迅速衰减。
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子午面声场：极坐标图清晰显示，CRP系统的声场在轴向（上游和下游）最强，而在径向（螺旋桨盘面方向）相对较弱，形成了鲜明的偶极子分布。常规螺旋桨的声场指向性则相对较弱。这种差异源于CRP系统转子间相互作用对叶片表面压力脉动的影响方式，使得声能主要沿轴向辐射。
本研究通过精细的数值模拟和声学分析，明确了对转螺旋桨(CRP)在推力相似条件下与常规螺旋桨的声学性能对比。核心结论是：尽管CRP系统在推进效率上具有显著优势，并能产生强度更弱的尾流涡结构，但其辐射的整体声压级，尤其是在上游和下游远场，反而高于常规单转子螺旋桨。这一看似矛盾的现象根源在于，CRP系统前后转子间的强烈相互作用，虽然降低了平均载荷，却极大地增强了作用于叶片表面的非定常载荷脉动，从而导致其线性声（负载声）成分被强化，并主导了远场声学特征。非线性声（四极子声）在近场受尾流强度影响（常规螺旋桨更强），但其衰减迅速，对远场贡献有限。因此，在海洋推进器设计时，需要在效率增益与噪声控制之间进行审慎权衡。值得注意的是，本研究聚焦于无空化（湿态）条件。CRP叶片载荷较低，可能有助于减轻空化现象，从而在空化条件下产生更低的噪声，这为未来的研究指明了方向。
