《Fundamental Research》：Research Progress on Underwater Ship Propulsion in the Context of Green Transition—Energy Efficiency and Noise Reduction
摘要：水下推进技术是船舶与海洋工程领域的核心方向，数十年的研究与实践已取得显著进展。随着海事行业为应对气候与生态问题而迈向可持续发展，新的优先事项应运而生——特别是能源效率、减排与噪声抑制。在追求可持续推进的过程中，这些优先事项紧密交织。现有综述文献已记录了这些领域的大量进展，分别对能源效率或噪声问题进行了深入讨论，但缺乏结合当前行业趋势与技术发展、将两方面系统整合的综述。本文从增效与降噪的双重视角综述了水下推进领域的最新进展，并通过流体动力学视角审视了能源效率与降噪之间的协同作用与权衡关系，旨在为水下推进器的未来优化与设计提供全面、多维度的视角。
1. 引言
水下推进涵盖将能量转化为水面及水下船舶推进力的过程。工业革命后，以螺旋桨为代表的推进器逐渐取代风帆、明轮和船桨，成为船舶推进的主要方式。1845年具有标志性意义的拔河试验中，螺旋桨驱动的HMS Rattler号显著优于明轮蒸汽船，预示了现代螺旋桨的主导地位。与此同时，水下推进研究开始蓬勃发展。19世纪下半叶，Rankine和Froude引入动量理论，奠定了水下推进的理论基础，结合实验技术的快速发展，推动该领域向更定量化和精细化的方向演进。由此，水下推进系统的设计与制造水平得到了实质性提升。
随着研究范式的演进和工程技术的发展，为满足多样化的作业需求，各种类型的推进器相继涌现。发动机-轴系-推进器的布局至今仍是最基本、最广泛采用的推进配置。基于传统螺旋桨衍生出的创新设计，包括可调桨(CPP)、叶梢加载螺旋桨(TLP)、对转螺旋桨(CRP)和导管螺旋桨等，通过优化叶片载荷提升了推进效率。表面穿孔螺旋桨和喷水推进器通常用于高速船舶。在需要高机动性的场合，如港口拖船和动力定位，全回转推进器和福伊特-施奈德螺旋桨可提供灵活的推力矢量。在国防应用中，大侧斜螺旋桨和泵喷射推进器(PJP)因其优异的抗空化性能和低噪声特性而成为潜艇的首选。近年来，舰船综合电力系统的进步推动了紧凑型电力推进解决方案的研究。吊舱推进器和轮缘驱动推进器(RDT)是此类集成式电力推进系统的典型代表，省去了传统的轴系布置，在空间利用、安装灵活性、功率控制和降噪方面具有优势，处于当代研究的前沿。
推进系统的多样化反映了现代船舶的多方面需求。在气候变化和生物多样性丧失的背景下，能源效率、降噪和极地航行的重要性日益凸显。节能与减排长期以来一直是船舶推进的核心目标，但其根本动机已从经济回报转向应对气候变化的紧迫要求。2025年4月11日，国际海事组织(IMO)批准了全球航运净零排放法规，目标是到2050年实现碳中和。与此同时，水下辐射噪声(URN)在航运和造船领域受到越来越多的关注，其中推进噪声是主要贡献者。历史上，海军应用推动了降低推进系统振动与噪声的努力，因为声学特征直接影响舰艇的生存能力和作战效能。人们也日益认识到推进噪声对海洋生态系统的不利影响，促使国际监管措施旨在对商船URN实施更严格的控制。因此，水下推进系统的声学足迹已成为其环境可接受性——进而也是船舶航行运营可行性——的决定性因素。
辩证地看，能源效率与降噪的相互交织需求正在共同推动水下推进的创新并重塑其研究范式。现有综述已记录了水下推进技术的进展，但大多数仅孤立地讨论了推进效率提升或水下噪声抑制，对其内在联系未做深入探讨。因此，本文旨在统一框架内审视绿色航运这两个紧密交织的支柱。引言之后，第2节介绍综述方法；第3节概述水下推进的基本研究方法；第4节“节能与减排”和第5节“减振与降噪”分别考察能源效率与噪声控制的核心挑战和最新进展；第6节讨论能源效率与降噪之间的协同作用与权衡；最后一节总结全文并展望水下推进技术未来发展的方向。
2. 综述方法
使用主要学术数据库(Web of Science和Scopus)以及IMO、国际拖曳水池会议(ITTC)和主要船级社的官方资料库进行了全面的文献检索，以获取最新法规和工程实践。检索主要限定在2019-2025年期间，以聚焦近期绿色转型技术；同时人工纳入了具有奠基意义的历史论文和高影响力的早期专利，以提供必要的理论背景。检索策略结合了与船舶推进、水动力性能、数值与实验方法、噪声和节能装置相关的关键词。
通过回溯和向前滚雪球法识别了初始检索范围之外的关键基础研究和近期发展。为确保严谨性，纳入标准定义为：(1) 同行评审期刊论文或高影响力会议论文；(2) 官方监管框架、技术报告或关键专利；(3) 明确涉及水下推进器水动力学、效率或声学的研究。排除标准包括：(1) 不相关学科的论文；(2) 缺乏方法细节或原始数据的研究；(3) 重复记录；(4) 无法获取全文的文献。
初步数据库检索获得3,393条记录。去除重复后，1,741条唯一记录通过标题和摘要进行筛选。明显不相关的论文和无法获取全文的文献被排除。随后的全文审查进一步剔除了数据不足、方法严谨性低或相关性不强的研究。同时，滚雪球过程识别了额外的有价值文献。最终，222篇直接相关的文献被纳入本综述。
3. 水下推进的基本研究方法
3.1. 势流方法
势流理论在螺旋桨分析中的应用可追溯至19世纪下半叶。Rankine和Froude先后提出了螺旋桨轴向动量理论，即通常所称的致动盘或理想螺旋桨理论。该理论将螺旋桨建模为无限薄的圆盘，吸收能量并诱导周围水体的动量变化；水被视为不可压缩的理想流体，速度和压力在圆盘上均匀分布。Drzewiecki提出了叶元体理论，将每个桨叶离散为多个叶元，每个叶元被视为独立的二维翼型，用以估算推力和扭矩。与动量理论相比，叶元体理论能够捕捉桨叶几何形状和剖面翼型形状对推力和扭矩的影响，但仍存在相当大的简化。
在动量理论和叶元体理论基础上发展的螺旋桨涡环理论为一系列更精细的理论方法奠定了基础：升力线法、升力面法和面元法。这些方法将桨叶理想化为做螺旋运动的三维扭曲机翼。升力线法将桨叶的附着涡集中为一条从叶根延伸到叶梢的线，但该模型在表征船舶螺旋桨周围复杂几何和流动方面存在固有局限。1961年，Pien提出了升力面模型，将附着涡连续分布在各桨叶的拱弧面上。与升力线模型类似，升力面模型无法完全满足精确的边界条件，对前缘附近的压力分布预测不准确。
自20世纪70年代以来，面元法越来越多地被用于预测螺旋桨水动力性能。与升力线和升力面方法不同，面元法直接在真实桨叶表面上分布奇点，并通过在离散点满足流动边界条件来构建方程组以确定未知奇点强度。根据公式形式的不同，面元法可基于速度或速度势。由于精确施加了表面边界条件，该方法能够提供真实几何上的压力分布并实现空化建模，因而成为非定常螺旋桨性能分析的主要工具。尽管螺旋桨周围流动本质上是粘性的，面元法仍是一种无粘公式，无法捕捉粘性效应。为克服这一局限，研究人员将面元法与粘性边界层计算耦合以获得更精确的预测。从根本上讲，面元法代表了势流理论中更广泛的边界元法(BEM)的一个具体应用。面元法专注于势流水动力学，而广义BEM框架——凭借其求解各种控制方程(如声学中的亥姆霍兹方程)的能力——将仅边界离散化方法扩展到其他物理域。这使得BEM特别适合无限域问题，支撑其在流固耦合和水下噪声分析等多物理场场景中的广泛应用。
3.2. 计算流体力学
势流方法因其计算效率和鲁棒性而受到重视，但对流体粘性的忽略严重限制了其在复杂粘性流动中的适用性。随着计算能力的进步，20世纪下半叶计算流体力学(CFD)迅速发展。通过求解纳维-斯托克斯方程并结合湍流模型(如k-ε和SST模型)，CFD能够详细解析三维流动特征，包括边界层分离、梢涡演化和空化等对螺旋桨性能至关重要的现象。因此，CFD已成为现代螺旋桨设计优化的不可或缺的工具，也是研究推进水动力问题的主要方法。
螺旋桨计算中最广泛使用的CFD方法是雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)、分离涡模拟(DES)和大涡模拟(LES)。这些方法的主要区别在于对湍流的处理和解析尺度范围。直接数值模拟(DNS)解析到柯尔莫哥洛夫长度尺度的所有湍流尺度，具有最高保真度但计算成本过高，限制了其在水下推进研究中的应用。通过利用非结构化网格、重叠网格和滑移网格等技术，CFD能够有效评估螺旋桨水动力性能。此外，可以通过纳入Schnerr-Sauer、Zwart-Gerber-Belamri和Singhal等模型来分析空化。CFD还可与有限元法(FEM)和离散元法(DEM)耦合，以处理流固耦合问题，包括桨叶振动、桨-舵耦合振动和冰-桨接触等。
除水动力性能外，CFD还被广泛用于预测和评估螺旋桨噪声。基于CFD的螺旋桨噪声计算方法分为直接法和混合法两类。直接法同时解析可压缩流场和声传播，需要极高的空间和时间分辨率，对大多数工程应用而言仍不切实际。混合法目前主导水下推进噪声研究，将近场流动解与远场声学预测解耦。该方法首先使用CFD获得螺旋桨周围流场，然后应用声类比计算远场辐射噪声。声类比方法起源于Lighthill，他证明了湍流流动噪声可以通过将脉动湍流应力表示为等效四极子源来建模。Curle将该理论扩展到考虑静止固体边界的存在，Ffowcs Williams和Hawkings进一步将其推广到运动表面。他们证明，对于运动壁面，声场可以表示为四极子源、物体表面偶极子源和单极子源的叠加——这一公式现称为Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程。将FW-H方程与CFD求解器耦合，可以在各种工况下预测螺旋桨噪声。
3.3. 实验方法
螺旋桨实验涵盖广泛的尺度范围，大致分为模型尺度试验和实尺度试验。模型试验包括敞水试验、船后试验、空化试验和自航试验，各自针对水动力性能、空化行为、噪声、流场和激振力等特定方面。这些试验在拖曳水池、循环水槽和空化水洞等设施中进行，具体取决于试验目标。敞水试验是螺旋桨模型测试中最常规的形式，其主要目的包括：(i) 为设计图谱生成系统性性能数据；(ii) 分析几何参数对螺旋桨特性的影响；(iii) 验证螺旋桨设计理论；(iv) 与自航试验结合，确定推进效率分量并支持螺旋桨选型。
流场测量构成螺旋桨实验研究的另一重要支柱。早期技术依赖侵入式探针，如皮托管和五孔探针。激光诊断技术的出现引入了非侵入式技术，包括激光多普勒测速(LDV)和粒子图像测速(PIV)。1981年，Laudan首次将LDV应用于螺旋桨尾流测量，INSEAN开创了水下立体PIV(SPIV)系统。此后，二维(2D-2C)PIV和立体(2D-3C SPIV)配置已常规应用于空化水洞、循环水槽和拖曳水池，通常与互补传感器集成用于多物理场表征。2015年，Felli将层析PIV(3D-3C Tomo-PIV)引入敞水螺旋桨尾流试验，实现了梢涡和毂涡的详细三维重构。这一进展也揭示了涡对和桨叶前缘附近二次涡形成的复杂机制。
虽然模型试验不可或缺，但螺旋桨性能的最终验证依赖于实尺度测量。尺度效应——特别是对边界层发展和空化起始的影响——可能导致模型预测与实尺度行为之间存在显著差异。因此，在运营船舶上进行实尺度试验对于验证设计工具和捕捉真实服役性能至关重要。这类试验通常测量轴功率、转速和船速，以评估在真实环境条件下的推进效率。在噪声和振动方面，使用水听器和加速度计的实尺度测量对于评估是否符合新兴URN法规至关重要。先进的实尺度流场测量技术也已用于研究真实条件下的螺旋桨入流、尾流和空化。某些运行环境(如冰区)难以在实验室中再现。20世纪90年代，加拿大和芬兰之间的联合研究项目(JRPA#6)进行了广泛的实尺度船舶试验，定量揭示了冰区螺旋桨性能的关键机制，显著推进了冰级螺旋桨的发展。实尺度测量的挑战包括将螺旋桨噪声与船上其他声源隔离以及应对多变的背景噪声。尽管存在这些挑战，IMO数据收集系统(DCS)和船载性能监测技术的日益普及正在逐步扩大实尺度数据的可用性，缩小模型尺度理解与运行现实之间的差距。
3.4. 优化与人工智能方法
传统上，水下螺旋桨设计高度依赖敞水试验数据编制的性能图谱。这些图谱——以著名的Wageningen B系列、KCA系列和AU系列为代表——展示了叶片数、螺距、直径和盘面比等基本参数对敞水效率的影响。然而，基于图谱的方法存在固有局限：局限于现有系列、忽略伴流效应、且不利于不同系列间的直接性能比较。随着设计要求的日益严格和新类型螺旋桨(如收缩载荷叶梢(CLT)螺旋桨)的出现，这些缺陷愈发突出。
现代螺旋桨设计必须平衡效率、强度、空化和噪声等多重性能指标。与敞水试验相比，先进的势流和粘性流求解器提供了高效且足够准确的性能预测。在此背景下，理解设计参数如何影响性能并实现高效、稳健的设计优化已成为关键挑战。自动化优化算法极大地促进了这一任务，催生了基于仿真的设计优化(SBDO)。典型例子包括遗传算法(GA)和粒子群优化(PSO)等启发式算法，以及非支配排序遗传算法II(NSGA-II)和多目标粒子群优化(MOPSO)等多目标方法。
近年来，人工智能，特别是机器学习，越来越多地被应用于推进器设计优化。机器学习模型在非线性回归和快速性能预测方面展现出卓越能力。然而，与许多工程领域一样，水下推进面临“小数据”挑战：设计空间维数高，而高保真样本稀缺。机器学习模型的准确性和泛化能力关键取决于训练数据的质量、数量、覆盖范围和代表性。数据不足、有偏或运行工况不完整会严重降低预测精度或导致模型在实际应用中彻底失效。这仍然是一个主要障碍，特别是考虑到获取螺旋桨高质量实验或高保真仿真数据的成本高昂。
4. 节能与减排
能源效率和减排已成为全球可持续发展进程中海事部门面临的决定性挑战。过去二十年，全球航运碳排放量增长了约47%。仅超过5,000总吨的船舶每年就消耗约2.1亿吨燃料，产生10.76亿吨温室气体排放。对此，国际海事组织(IMO)自上世纪以来逐步出台了针对航运能源消耗和污染的标准与国际公约。2011年7月，IMO海上环境保护委员会(MEPC)第62届会议通过MEPC.203(62)号决议，在《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL)附则VI下通过了船舶强制性能效标准。所有在生效日期后建造的400总吨及以上的新建国际航行船舶，均须符合强制性能效设计指数(EEDI)。2024年，MEPC 81制定了修订MARPOL附则VI的框架草案，即“IMO净零框架”，为后续中期措施和具体修正案奠定了基础。该框架于2025年在MEPC 83正式通过，成为实现航运净零排放的具有法律约束力的全球法规。随着绿色低碳技术现已成为海事行业未来的核心，对高能效水下推进技术和水动力节能装置的研究需求从未如此迫切。
实现绿色低碳目标的努力可大致分为两类：“开源”，即开发新型和替代燃料以减少对化石燃料的依赖；以及“节流”，即通过提高能效来降低能源消耗。后者涵盖船舶设计改进、综合能源管理，以及本综述的核心——水下推进系统的优化。边际减排成本(MAC)曲线展示了不同措施(如设计标准、改造技术和能效升级)在减少温室气体排放方面的成本效益。Tran分析了五大主要船型(散货船、油轮、杂货船、集装箱船和客船)的MAC曲线，证明包括螺旋桨改进在内的水动力优化可实现超过10%的减排。
在水下推进中，推进效率由三个主要因素决定：船身效率(船体与推进器之间的匹配性)、相对旋转效率(推进器径向载荷分布与径向伴流之间的匹配程度)和敞水效率(在理想均匀入流下的能量转换能力)。这三个效率共同反映了推进中的主要能量损失机制——即船体-伴流干扰、伴流不均匀性以及流体粘性、二次流结构和空化对推进器的不利影响。因此，提高推进效率和降低能耗的关键在于优化推进器的入流环境、几何设计和运行匹配。本质上，这需要最小化多余的涡量生成和能量耗散，从而将能量从非生产性的旋转和湍流损失引导至有用的推力。这种以效率为中心的理念支撑了当前大量关于水下推进器的研究，并推动了高效推进器和水动力节能装置的发展。
4.1. 推进器的高效优化
传统螺旋桨设计通常关注单一运行点，优先考虑载荷特性和能效，而忽略了船舶的完整运行剖面。然而，航线变化、市场条件和排放法规的转变已深刻改变了船舶运行模式，这意味着优化后的螺旋桨现在可以产生可观的节能效果。对于大多数船舶而言，螺旋桨运行在船体周围最复杂的流动区域——伴流中，该区域由空间变化的速度场、湍流结构和相干涡旋塑造。以巴拿马型散货船为例，伴流场呈现由强收敛舭涡驱动的“三维钩形”分布、由船体边界层发展引起的“V形”分布以及由船尾几何控制的“圆台形”分布。这些复杂的三维涡结构对螺旋桨入流施加了不同强度的非定常扰动。高度不均匀且随时间变化的入流直接决定了每个桨叶在旋转过程中经历的瞬时水动力载荷——升力、阻力和扭矩。这种载荷波动不仅加剧了螺旋桨振动和噪声，还使平均效率低于均匀流中可达到的最优值，最终影响推力输出和整体能效。
螺距和侧斜等几何参数可针对不同运行条件和载荷工况进行定制以提高螺旋桨效率。可调桨通过毂机构改变桨叶螺距以适应不同速度下的多种载荷，实现前进、后退和动力定位操作。侧斜螺旋桨允许桨叶剖面逐步进入高伴流区域，减轻流动扰动并改善空化性能。提高推进效率最直接的途径之一是考虑船体-螺旋桨-轴系耦合相互作用来优化螺旋桨的入流环境。Tadros等人针对油耗和推进效率优化了Wageningen B系列、Kaplan 19A和MAU系列螺旋桨，明确考虑了船体-螺旋桨相互作用。Han和Wang开发了一种伴流自适应螺旋桨设计与优化系统，集成了伴流谐波分析、升力线和升力面方法以及非定常面元法。Liu使用CFD分析了船尾形状、螺旋桨性能和船尾流场之间的相互作用，并使用多目标遗传算法对船体和螺旋桨进行同步优化。近年来，机器学习技术在水螺旋桨优化中受到越来越多的关注，提供数据驱动的代理模型以补充基于物理的方法，在从螺旋桨故障预测到节能设计优化的应用中取得了有前景的成果。
为提高敞水效率，已提出多种非常规螺旋桨构型。叶梢加载螺旋桨(TLP)——也称为端板螺旋桨——包括CLT螺旋桨和Kappel螺旋桨等设计，在桨叶尖端加入端板或小翼。这些叶梢装置通过壁面效应抑制叶梢周围的横向流动，产生更均匀的展向载荷分布，从而提高推进效率。值得注意的是，叶梢小翼并不总是削弱梢涡。Posa使用大涡模拟比较了常规螺旋桨和带小翼的TLP的梢涡动力学，观察到虽然小翼改善了整体性能，但产生了两个更强的涡——一个在小翼边缘，一个在桨叶-小翼连接处。这强调了仔细优化小翼几何的必要性。Anevlavi等人使用低成本的势流涡格法(VLM)优化框架结合高保真CFD-RANS验证，研究了桨叶叶梢后倾修改对常规船用螺旋桨效率和流体动力性能的影响。Gaggero等人分析了CLT螺旋桨的尾流不稳定性，揭示不同的端板设计可能触发显著不同的不稳定机制；在某些情况下，端板可能诱发与常规设计相当甚至更严重的尾流压力特征和早期尾流不稳定。环形螺旋桨与CLT和串联螺旋桨在概念上有一定相似性，也被认为是一种有前景的节能构型。Wang等人和Xiang等人分别评估了环形螺旋桨和带环形转子的泵喷射推进器的水动力性能，在进速系数1.2时分别报告了68%和88%的效率。然而，对环形螺旋桨的研究仍然有限，材料和制造挑战可能阻碍其实际应用。
对转螺旋桨(CRP)由同轴反向旋转的两个螺旋桨组成，可降低周向诱导速度，改善叶片载荷分布，并有效抑制空化和噪声。其推进效率可超过单桨10%以上。CRP优化的关键在于前后桨的匹配。Capone等人使用PIV测量研究了不同进速比和相对角位置下的桨间流动和尾流场。结果表明，CRP流场的特点是两组螺旋梢涡之间的复杂相互作用，这些涡参与多种相互作用模式——包括与涡丝不稳定性相关的配对过程。针对改善燃油经济性或降低能耗的CRP优化策略也被提出，包括具有特定周向载荷分布的伴流自适应设计和转速匹配，以充分利用其效率潜力。
在螺旋桨周围使用导管代表了另一种提高性能的有效策略。Stipa和Kort开创了导管螺旋桨的概念，将螺旋桨容纳在具有流线型截面的外部导管中。导管减轻了与梢涡和尾流收缩相关的能量损失，同时导管内外表面之间的压差产生附加推力。Posa和Broglia最近使用35亿单元网格的大规模LES模拟，比较了高载荷条件下导管螺旋桨和常规螺旋桨的性能。结果表明，导管将推进效率提高了30%。此外，导管螺旋桨产生的梢涡更快地失稳，分解为更小尺度的湍流结构，从而大大降低了涡系统的相干性。
仿生方法也被用于螺旋桨优化。Falchi等人实验研究了常规螺旋桨上的仿生前缘结节。Stark等人将该概念扩展到导管螺旋桨叶片，证明这些结节引起的“空化漏斗”效应在重空化条件下可将总推力系数提高高达10%，推进效率提高高达6.5%。Yang等人评估了各种仿生脊状结构对螺旋桨空化性能和效率的影响。结果表明，在中低进速比下，脊状结构使空化面积减少了26-30%，而在高进速比下，推力和效率分别提高了14.93%和1.61%。
4.2. 水动力节能装置
安装节能装置(ESD)是提高水下推进效率的关键措施。与修改或更换主推进器相比，加装附体提供了更大的灵活性。根据劳氏船级社数据，自2020年以来，配备ESD的新建船舶比例相对于2020年前船队增长了2至6倍，具体取决于船型。水动力节能附体按安装位置和节能机制大致分为桨前装置和桨后装置。桨前装置包括预旋定子(PSS)、伴流均衡导管(WED)和预旋导管(PSD)，主要改善进入螺旋桨的流动均匀性，从而减少推力损失。螺旋桨尾流中损失的能量约占总推进能量的15-30%。桨后装置回收部分尾流能量并减轻流动分离损失，典型例子包括桨毂帽鳍(PBCF)、Grim导轮、舵球和襟翼舵。
PSS由安装在螺旋桨前方的多个定子叶片组成，产生预旋流，从而提高推进效率并实现4-5%的节能。?elik和Güner开发了基于升力线理论的螺旋桨-PSS耦合设计方法。Furcas和Gaggero提出了将BEM-RANSE求解器与优化算法耦合的PSS设计方法，以最大化节能效果。Jin等人考察了定子叶片位置对能量性能的影响，报告称安装位置对效率的影响有限，但优化叶片间距可改善空化行为。Su等人对由PSS和舵球组成的组合节能装置进行了自航模型试验，报告平均节能超过3%。另一类桨前装置——伴流均衡导管(WED)旨在改善伴流均匀性并抑制船尾下方非均匀入流中的流动分离。预旋导管(PSD)——通常称为Mewis导管——集成了WED和PSS叶片的功能，实现高达8%的节能效果。Furcas和Nicorelli等人对PSS、WED和PSD进行了计算研究，并提出了一种基于仿真的优化设计方法。Chang分析了各种扇区形Mewis导管构型，以确定节能的最佳参数范围。Zalachoris和Themelis使用在航船舶的运营数据量化了Mewis导管的节能效果，证实了其显著的长期节能潜力。
桨毂帽鳍(PBCF)是一种安装在毂上的附体，旨在抑制毂涡并最小化流动分离，从而回收尾流中的能量；它还具有成本低和安装简便的实际优势。Kimura等人对安装PBCF的实尺度螺旋桨进行了实验和计算研究，评估了其与其他附体的组合节能效果，报告效率提升高达6%。Gaggero开发了基于CFD的PBCF优化方法，使用高保真RANS计算确定最优构型。Tan研究了螺旋桨与PBCF之间的匹配问题。Zhu提出了一种对转PBCF概念，使螺旋桨效率提高3.02%。桨后定子和自由导轮(通常称为Grim导轮)是放置在螺旋桨后方的能量回收装置，将尾流旋转能量转化为附加推力，实现约10%的节能。Hu等人研究了螺旋桨尾流和自由导轮叶片数对其节能性能的影响。Lee提出了一种基于自由转轮的能量回收涡轮，将螺旋桨尾流能量转化为电能。节能舵附体，如舵球和推力鳍，也能减少流动分离并回收尾流中的旋转能量。Wang等人使用CFD和遗传算法开发了舵球优化方法，实现了3.66%的节能。Wang等人引入了一种新型舵球涡轮，采集尾流能量发电，产生1,200千瓦功率，实现5.23%的节能。Obwogi等人对舵推力鳍进行了实验和计算研究，在模型试验中报告了2.18%的节能。襟翼舵是一种新型节能舵，两片叶片位于螺旋桨两侧，形成半封闭的门式结构，在提供操纵性的同时产生附加推力。Sasaki等人对世界上第一艘配备襟翼舵的船舶进行了后续研究，报告燃料消耗减少14%。Tacar等人对襟翼舵进行了实验和数值研究，确认在15节时节能14%，制动功率降低17%。
表2定量概述了上述技术的工程应用，总结了水动力节能装置和推进优化技术，列出了其报告的效率提升和适用船型，作为评估不同解决方案在各种运行条件下潜在效益的参考。
5. 减振与降噪
船舶噪声来源多样，包括机械和电气设备、船体-水摩擦、船上活动以及——最重要的——推进系统。科考船和破冰船等专用船舶还可能产生声纳和破冰作业噪声。空气噪声影响船员舒适度和工作条件，而水下辐射噪声(URN)对海洋动物和更广泛的海洋环境产生不利影响。其中，航运交通的推进噪声构成主要成分。使用芬兰气象研究所的船舶交通排放评估模型(STEAM)和年均31亿条自动识别系统(AIS)记录，Jalkanen等人评估了2014-2019年(疫情前)的URN能量排放。结果表明，全球大多数航运路线及邻近海域的URN呈上升趋势，其中中国沿海地区增长尤为显著。
国际社会对船舶URN的关注持续上升。IMO连同其他国际机构已通过多项决议，旨在加强海洋噪声污染监管。Chou等人整理了近期关于人为水下噪声的国际决议、决定和报告。2021年6月，MEPC第76届会议赞同对2014年《减少商业航运水下噪声以解决对海洋生物不利影响的指南》(MEPC.1/Circ.833)进行正式审查。预计未来几年，监管船舶水下噪声的国际法规将日趋严格。
水下推进噪声是一个复杂的多物理问题，涉及紧密耦合的多相流现象。螺旋桨噪声大致可分为两类：具有连续谱和明显频谱特征的空化噪声，以及由音调分量和宽带激励叠加而成的非空化噪声。在较高船速下，空化噪声通常占主导地位。空化噪声的根本来源是桨叶表面和尾涡中空化泡的生长、振荡、溃灭、分裂和聚并所诱发的压力波动。研究表明，气泡溃灭产生的噪声比生长、振荡或分裂产生的噪声高几个数量级，而气泡振荡主要贡献低频空化噪声。螺旋桨设计方面的进步已大幅提高了空化起始速度，从而改善了空化性能。因此，在低于空化起始阈值的运行速度下，非空化噪声现在构成螺旋桨噪声的主要分量。非空化噪声可进一步分解为前缘噪声、尾缘噪声、毂噪声和梢涡噪声。在均匀入流条件下，梢涡噪声是主要贡献者。前缘噪声源于入流与桨叶前缘相互作用引起的压力波动，而尾缘噪声源于湍流边界层经过尾缘时的对流。该噪声的频率含量取决于雷诺数和边界层厚度相对于尾缘厚度等因素。此外，螺旋桨会发出一种称为“歌唱”的周期性嗡鸣声。这种现象在桨叶的涡脱落频率与桨叶结构的固有频率重合时出现，触发涡激共振。
流致振动、流致噪声和空化之间错综复杂的相互作用构成了紧密耦合的系统，使得充分阐明噪声产生机制和制定有效抑制策略颇具挑战。在真实复杂工况下准确预测实尺度螺旋桨的水动力噪声仍是一项艰巨任务。应对这些挑战——实现可靠的噪声预测和识别创新、有效的减振降噪技术——是当前紧迫的研究重点。
5.1. 被动降噪技术
由于非均匀入流是螺旋桨噪声的主要驱动力，改善伴流均匀性可以延迟空化起始并促进螺旋桨盘面上更有利的流动分布，从而降低噪声水平。因此在设计初期优化船尾船体线型对于确保更均匀的螺旋桨入流至关重要。此外，涡流发生器可以增强伴流均匀性并通过增加轴向速度和抑制流动分离来辅助船尾区域的流动控制。Saydam等人在一艘油轮上加装了涡流发生器，并证明该装置有效改善了实尺度船舶的伴流均匀性。Li等人发现，安装涡流发生器后，螺旋桨非定常空化变得更加稳定并在周向方向更平滑地传播。此外，相对于船体的叶梢间隙增大减少了压力波动幅度。
优化螺旋桨几何参数可以通过改善叶片载荷分布、控制桨叶振动以及防止或延迟空化来降低噪声。Ebrahimi等人考察了几何参数对螺旋桨噪声的影响，并开发了同时考虑水动力和声学性能的优化算法。结果表明，增加叶片数可以抑制空化，但可能降低推进效率；因此最优叶片数需要在这些竞争效应之间进行权衡。盘面比也显著影响空化：对于给定推力，较大的叶片面积减少了每片叶的载荷，从而降低了空化风险。然而，增加盘面比会增加摩擦阻力，这可能降低效率。螺旋桨直径和螺距角影响叶片载荷并因此影响声学性能。侧斜角对空化行为有有益影响：适当的侧斜允许桨叶剖面逐渐进入高伴流区域，稳定流动并平滑由伴流引起的非定常力。考虑到船体尺寸、船尾几何、主机功率和轴系布置的约束，应仔细优化螺旋桨几何参数以最大化声学性能。
螺旋桨的水动力优化和添加附体也有助于降低噪声。在桨叶尖端添加端板或小翼(如CLT和Kappel螺旋桨)可以减小轴向速度、增大涡核半径并提高涡核压力，从而防止或至少延迟梢涡空化。CLT螺旋桨已被证明可减轻梢涡空化，从而降低噪声。Anderson等人测试了各种潜艇螺旋桨模型，发现Kappel螺旋桨具有更好的声学和流体动力性能。在测试条件下，叶片数为偶数的Kappel螺旋桨可将噪声降低超过10分贝。然而，小翼也可能产生额外噪声，需要更多研究来全面了解其对声压级的整体影响。PBCF通过减少桨毂周围的流体环流来显著降低振动和噪声，从而降低毂空化。它们还削弱毂涡并加速其耗散，从而减少涡阻力、增加桨叶推力并减少螺旋桨产生的涡流。PBCF的节能降噪效果在较大螺距的螺旋桨上更为明显。在螺旋桨叶片尖端附着柔性纤维也是一种有效方法。当螺旋桨旋转时，纤维被吸入涡核，抑制梢涡空化并减少空化噪声。
仿生学为降低螺旋桨噪声提供了宝贵见解，能够从生物体的结构、功能和调节机制中获得新颖的设计概念和运行原理。猫头鹰在捕猎时几乎无声地滑翔，主要归功于其羽毛表面的精细条纹和翅膀边缘的梳状锯齿。条纹表面调节气流以减少湍流压力波动和噪声，而锯齿边缘将尾涡分解为更细的尺度，降低其展向相干性并增强混合。这些原理已在航空航天领域广泛采用，并在海事领域受到越来越多的关注。Qin等人将锯齿结构应用于PJP导管，证明由此产生的效率损失限制在2%以内，而锯齿导管显著降低了总声压级约2.5-5分贝，最大降低4.88分贝。在此基础上，Yang等人为PJP导管设计了两种不同的锯齿尾缘几何形状，发现锯齿将水动力效率改变不到1%，但显著改变了尾涡拓扑结构。大规模导管诱导涡在周向方向被打乱，产生更多马蹄涡和二次涡，加速了尾缘涡的扭曲和混合并促进流动不稳定性。在0-1,000赫兹频率范围内，导管下游的声压级降低了高达4.43分贝。鲸鱼的无声游动也引起了广泛关注。鲸鱼鳍状肢的波浪状前缘被认为可以在降低噪声的同时增强水动力性能。Li等人研究了波浪前缘水翼的流动结构和声学效应，发现波浪几何降低了升力和阻力系数的波动幅度。
5.2. 主动降噪技术
主动技术为降低推进器噪声提供了替代途径。一种方法是将聚合物溶液注入螺旋桨流中以延迟梢涡空化从而降低空化噪声。Fruman等人将浓缩粘弹性聚合物溶液注入椭圆水翼产生的涡中，观察到当聚合物直接输送到涡核时空化受到抑制。LDV测量显示平均涡环量减少且涡核半径增大。Chahine等人将减阻聚合物溶液注入螺旋桨叶片的梢涡区域，考察了注入位置对空化的影响。他们发现，位置适当的端口将粘弹性多元醇溶液注入涡核，增加了涡粘度——从而降低了涡核压力——而不影响环量或升力。尽管在抑制空化方面前景广阔，但聚合物溶液的高成本和潜在环境风险限制了其广泛应用。作为替代方案，水注入已被探索。Chang等人将水和聚合物溶液注入尾涡，表明水也能抑制梢涡空化，尽管聚合物溶液略为有效。随后，Lee等人将水注入螺旋桨叶片尖端，证明水注入有效防止了梢涡空化，提高了空化起始速度并显著降低了噪声水平。Guo等人在螺旋桨上游引入射流槽，研究了几何形状对非均匀伴流场、水动力性能和噪声特性的影响。他们发现三角形射流在改善周向伴流分布方面最为有效。整体轴向速度场变得更加平滑，减弱了马蹄涡引起的速度不均匀性。伴流谐波分析证实高速射流产生了更高质量、更均匀的入流。对于800赫兹以下的频率，配备射流的螺旋桨的声压级始终低于基准螺旋桨，表明射流有助于抑制源自伴流不均匀性的低频离散谱噪声
