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仿生锯齿结构对环形螺旋桨水动力噪声特性影响规律研究

毛鑫培 刘鹏 柳江 康鲁迪 金辉 殷逸冰

毛鑫培, 刘鹏, 柳江, 等. 仿生锯齿结构对环形螺旋桨水动力噪声特性影响规律研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0141
引用本文: 毛鑫培, 刘鹏, 柳江, 等. 仿生锯齿结构对环形螺旋桨水动力噪声特性影响规律研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0141
MAO Xinpei, LIU Peng, LIU Jiang, KANG Ludi, JIN Hui, YIN Yibing. Research on the influence of biomimetic serrated structure on the hydrodynamic noise characteristics of toroidal propeller[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0141
Citation: MAO Xinpei, LIU Peng, LIU Jiang, KANG Ludi, JIN Hui, YIN Yibing. Research on the influence of biomimetic serrated structure on the hydrodynamic noise characteristics of toroidal propeller[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0141

仿生锯齿结构对环形螺旋桨水动力噪声特性影响规律研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0141
基金项目: 国家自然科学基金(62501348, 62401312); 中央引导地方科技发展资金项目(2024YD012); 国防科工局稳定支持项目(WDZC20245150310).
详细信息
    作者简介:

    毛鑫培(2002-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水动力噪声抑制

    通讯作者:

    刘鹏(1990-), 男, 博士研究生, 教授, 主要研究方向为振动噪声控制与智能运维.

  • 中图分类号: TJ630; U664.33

Research on the influence of biomimetic serrated structure on the hydrodynamic noise characteristics of toroidal propeller

  • 摘要: 环形螺旋桨因其在推进效率与噪声控制方面的潜力而成为研究前沿, 其中仿生学原理为噪声抑制提供了新颖的技术路径。然而, 仿生改性在水下螺旋桨领域的应用研究仍相对缺乏。为此, 文中研究旨在探究仿生锯齿结构对环形螺旋桨水动力噪声的影响机理。受猫头鹰翼缘锯齿的声学特性启发, 依据环形螺旋桨参数化建模方法, 设计了具有后缘锯齿特征的仿生变体。基于计算流体动力学(CFD)与FW-H声类比理论, 系统性分析了不同锯齿尺寸下的螺旋桨流场特性及非空化噪声声场变化规律。研究结果表明: 仿生结构对螺旋桨的宽带噪声分量具有调制作用, 在径向观测平面内可实现0.3~1.5 dB的降噪量; 在桨叶叶尖与中段后方区域, 降噪效果显著依赖于锯齿尺寸与工作转速, 即高转速下噪声幅值有效降低, 而低转速下特定区域噪声反而略有增加。文中研究阐明了仿生锯齿参数对噪声的影响规律, 为低噪声水下推进器的仿生设计提供了理论依据与优化方向。

     

  • 图  1  环形螺旋桨基模

    Figure  1.  Basic mode of annular propeller

    图  2  带有仿生锯齿结构的环形螺旋桨

    Figure  2.  Annular propeller with bionic sawtooth structure

    图  3  计算模型锯齿结构对比图

    Figure  3.  Comparison diagram of saw tooth structure of calculation model

    图  4  网格划分模型

    Figure  4.  Meshing models

    图  5  DTMB P4119螺旋桨模型图

    Figure  5.  DTMB P4119 propeller model diagram

    图  6  DTMB P4119螺旋桨淌水性能曲线

    Figure  6.  DTMB P4119 propeller open water performance curves

    图  7  旋转域中心平面(Y=0)湍流动能图

    Figure  7.  Rotational domain center plane (Y=0) turbulent kinetic energy diagram

    图  8  旋转域叶尖平面(X=0)湍流动能图

    Figure  8.  Rotational domain tip-plane (X=0) turbulent kinetic energy diagram

    图  9  流场X+方向湍流动能图

    Figure  9.  Stream field X+ direction turbulent kinetic energy diagram

    图  10  噪声监测点分布图

    Figure  10.  Distribution map of noise monitoring points

    图  11  原始环形螺旋桨径向监测点噪声频谱图

    Figure  11.  Radial monitoring point noise spectrogram of the original toroidal propeller

    图  12  P1监测点噪声频谱图

    Figure  12.  Noise spectrum of P1 monitoring point

    图  13  P4监测点噪声频谱图

    Figure  13.  Noise spectrum of P4 monitoring point

    图  14  P5监测点噪声频谱图

    Figure  14.  Noise spectrum of P5 monitoring point

    图  15  原始环形螺旋桨轴向监测点噪声频谱图

    Figure  15.  Noise spectrum of axial monitoring points of original annular propeller

    图  16  P6监测点噪声频谱图

    Figure  16.  Noise spectrum of P6 monitoring point

    图  17  P6监测点噪声声压级柱状图

    Figure  17.  Noise sound pressure level histogram of P6 monitoring point

    表  1  现有螺旋桨噪声抑制机理对比

    Table  1.   Comparison of existing propeller noise suppression mechanisms

    螺旋桨模型主要应用噪声抑制机理
    锯齿螺旋桨空中飞行器离散尾缘涡流
    导管螺旋桨水下航行器优化流场
    锯齿状导管螺旋桨水下航行器优化流场、离散涡流
    环形螺旋桨水下航行器优化流场、改进涡流分布
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    表  2  环形螺旋桨主要参数表

    Table  2.   Main parameters of annular propeller

    参数数值
    直径D/mm305
    毂径比0.2
    剖面类型NACA66
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    表  3  仿生环形螺旋桨设计参数表

    Table  3.   Design parameters of bionic annular propeller

    模型锯齿高h/mm锯齿数(单桨叶)/个圆角半径/mm
    A(原始模型)000
    B4.5620.3
    C6.0460.5
    D7.5350.5
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    表  4  网格无关性验证结果

    Table  4.   Mesh independence verification results

    工况KTKT误差10KQ10KQ误差
    实验值0.146 00.280 0
    网格A0.134 08.22%0.275 61.57%
    网格B0.135 27.40%0.275 71.54%
    网格C0.135 96.92%0.275 81.50%
    网格D0.136 06.85%0.275 91.46%
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    表  5  不同进速系数下DTMB P4119螺旋桨推力系数和扭矩系数值

    Table  5.   Thrust coefficient and torque coefficient values of the DTMB P4119 propeller under different advance ratios

    J KT 10KQ
    计算值 实验值 误差 计算值 实验值 误差
    0.500 0.282 0 0.285 0.88% 0.478 0 0.477 0.11%
    0.600 0.239 0 0.245 2.54% 0.417 0 0.410 1.57%
    0.700 0.192 0 0.200 3.76% 0.355 0 0.357 0.68%
    0.833 0.135 9 0.146 6.92% 0.275 8 0.280 1.50%
    0.900 0.113 0 0.120 5.78% 0.230 0 0.239 3.95%
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-10-13
  • 修回日期:  2025-11-04
  • 录用日期:  2025-11-06
  • 网络出版日期:  2026-03-26
图(17) / 表(5)

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