《Journal of Marine Science and Engineering》：Numerical Simulation Study on the Noise Reduction Mechanism of Biomimetic Microstructure Propellers
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本研究利用数值模拟探究了仿生微结构对螺旋桨压力脉动和辐射噪声的影响机理。基于SST k-ω湍流模型和Lighthill声类比，对比分析了在不同进速系数下有无微结构螺旋桨的流场与声学性能。结果表明，布置于尾缘的微结构优化了表面压力分布，并促进了更均匀的流场。更重
本研究利用数值模拟探究了仿生微结构对螺旋桨压力脉动和辐射噪声的影响机理。基于SST k-ω湍流模型和Lighthill声类比，对比分析了在不同进速系数下有无微结构螺旋桨的流场与声学性能。结果表明，布置于尾缘的微结构优化了表面压力分布，并促进了更均匀的流场。更重要的是，微结构有助于有序涡旋的生成与脱落，降低了叶面涡强度，并从源头抑制了流动诱导压力脉动。声学分析证实，微结构能有效降低特征频率处的离散噪声，在J = 0.5和J = 1时远场最大声压级分别降低5.94 dB和3.11 dB，同时噪声指向性由“8字形”分布转变为“心形”分布。本研究揭示了仿生微结构被动流动控制降噪的水动力机理，为低噪声螺旋桨设计和声隐身技术发展提供了新见解和理论基础。
螺旋桨作为船舶推进系统的核心部件，其运行中产生的脉动压力和辐射噪声是引起船体振动、影响航行舒适性和声隐身性能的关键因素。随着船舶趋向高速化、大型化，桨叶负荷持续增加，流动诱发振动噪声问题愈发突出。传统降噪措施如几何优化、改善流动、降低叶尖载荷、控制空泡等虽有一定成效，但进一步降噪空间受限，并可能牺牲推进效率。受鲨鱼皮、鸟羽等生物表面形态启发，仿生微结构能够有效调控边界层流动、延缓流动转捩、抑制涡旋脱落，从而实现减阻降噪。然而，已有研究多针对静止翼型，微结构在螺旋桨这类三维旋转流动中的声学行为与噪声抑制机理尚待阐明。为此，研究人员选取带尾缘仿生微结构的五叶螺旋桨为研究对象，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）与数值声学模拟，系统研究了微结构在不同进速系数下对螺旋桨流场与噪声特性的影响，旨在揭示微结构调控涡旋脱落、抑制压力脉动和衰减辐射噪声的机理，为低噪声高隐身船舶螺旋桨设计提供理论支撑。该论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》，具有重要的学术价值与工程应用前景。
研究人员以基于适伴流理论构建的螺旋桨为对象，额定转速为642.3 rpm，微结构为直径2 cm的半圆形凹槽，布置于桨叶尾缘。计算域分为静止域与旋转域，采用切割体六面体网格配合棱柱层进行局部加密，第一层壁面网格厚度满足y
+<1。利用Star-CCM+进行RANS（雷诺平均Navier-Stokes）模拟，湍流模型为SST k-ω；声场计算基于Goldstein广义Lighthill方程。通过三套网格验证网格无关性，并采用E1619螺旋桨与实验数据对比验证计算方法，其中推力系数最大误差为3.4%，扭矩系数最大误差为4.8%。在进速系数J=0.5和1（对应流速7.765和15.53 m/s）下，分别计算有无微结构螺旋桨的流场、近场及远场声压级。
4.1 速度流线
通过对比有无微结构螺旋桨在J=0.5和J=1工况下的速度流线图，发现微结构螺旋桨的流线分布更为均匀；无微结构螺旋桨的流线在毂和叶尖处更集中，且尾缘流线集中于叶尖。J=1时流线整体较J=0.5更集中，与流速相关。
4.2 压力分布
通过表面压力分布图，微结构螺旋桨尾缘附近压力变化更加规律，相同压力区范围更大，压力梯度更平缓；无微结构螺旋桨压力变化较紊乱。J=0.5时压力沿叶片变化比J=1时更剧烈。
4.3 涡量
通过涡量分布图，无微结构螺旋桨在叶面和叶背的涡强度显著大于微结构螺旋桨，且尾缘涡混乱、难以顺利脱落；微结构螺旋桨尾缘涡能够平滑脱离叶面，并被卷入毂涡，使尾涡结构更规则、耗散更快。
4.4 近场声压级频谱
通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）将时域信号转换至频域，在叶频53.5 Hz出现主峰，轴频10.7 Hz出现次峰，并伴有轴频倍频峰。J=0.5时，径向监测面A最大声压级降低2.45 dB，平均降低1.65 dB；监测面B最大降低1.04 dB，但平均增加0.37 dB；监测面C最大降低1.08 dB，平均降低0.80 dB。J=1时，监测面A、B、C最大分别降低2.92、2.01、1.04 dB，平均分别降低8.05、6.57、8.88 dB。表明微结构在较高进速系数下降噪效果更显著。
4.5 近场声压级指向性
径向指向性图显示，相同进速系数下微结构螺旋桨的平均和最大声压级均低于无微结构螺旋桨，且声压级随进速系数增大而升高。轴向指向性上，无微结构螺旋桨呈“8字形”，微结构螺旋桨呈“心形”，表明微结构改变了噪声源的空间分布，使下游辐射减弱、上游辐射增强。
4.6 远场声压级频谱
远场监测点结果表明，J=0.5时最大声压级降低5.94 dB，平均降低4.77 dB；J=1时最大降低3.11 dB，平均降低1.09 dB。微结构有效降低了远场辐射噪声，验证了其源头降噪作用。
讨论部分指出，微结构通过改变叶片局部几何形状，引入小尺度扰动，促进边界层内二次流向涡，增强高低动量流体混合，从而延缓或抑制流动分离，并使压力脉动能谱从低频高幅向高频低幅重构，直接衰减偶极子源辐射功率。尾缘涡脱落方面，微结构沿展向引入几何扰动，迫使剪切层以更小尺度有序脱落，涡环量低且加速与毂涡合并，增强涡动能耗散，从流场根源抑制宽带脉动噪声。降噪效果随工况变化源自负荷变化对涡强的非线性影响，但两种进速系数下远场均保持正降噪收益，证明该方法对变负荷工程工况具有稳健性。
研究结论可归纳为：仿生微结构实现被动流动控制是低噪声螺旋桨设计的有效途径。具体如下：(1) 微结构改善了边界层流动和表面压力分布，为降低叶面脉动压力噪声提供了有利流动条件；(2) 通过诱导小尺度涡有序脱落并加速其与毂涡合并，微结构显著降低了尾缘涡强度，使尾涡结构更规则且更易耗散，从根本上抑制了宽带脉动噪声；(3) 在J=0.5和1时，微结构有效降低近场和远场声压级，远场最大降幅分别为5.94 dB和3.11 dB，在较宽负荷范围内表现出稳定降噪能力；(4) 微结构改变了噪声源空间分布，使轴向指向性由“8字形”变为“心形”，表明下游辐射减弱、横向集中增强，验证了其对尾涡和声场的重塑作用。未来研究将结合空化模型、水洞缩比实验以及微结构与主动控制耦合的自适应降噪策略。
