基于湍流结构的泵喷推进系统流动噪声关键物理机制及控制方法研究

The flow-induced noise of pump-jet is one of the most important issues relating to the performance of underwater vehicles. The corresponding low-noise design requires a better understanding of the essential physics of flow-induced noise generations. In this project, we will focus on the flow-induced noise caused by the coupling between the turbulent structures and stators and rotors inside the duct of a pump-jet, and intend to develop a new theoretical model from the theoretical framework of aeroacoustics. We will perform time-space correlation analysis and modal analysis of turbulent structures inside the ducted stator-rotor system through the combination of numerical simulations and experiments and propose new flow-induced noise control methods, e.g. flow control and noise control strategies based on serrated stators and rotors. Moreover, we will focus on the developments of new testing methods, especially the pressure field reconstruction and near-field flow noise imaging testing techniques, for the classical water tunnels and wind tunnels, and perform tests on models (with unclassified but representative geometries) in the national water/wind tunnel testing facilities to support theoretical studies and demonstrate new noise control methods. Overall, we shall essentially focus on the scientific problems from the frontier of the flow-induced noise research and pay particular attention to the theoretical and testing methods developments. The potential research outcome would support low-noise design for future underwater vehicles especially from the theoretical and experimental perspectives.

泵喷推进系统流动噪声是水中装备性能的重要制约因素，相关降噪设计急需对流动发声的关键物理机制有更好的理解。本项目拟聚焦泵喷系统导管内湍流结构与定子和螺旋桨转子耦合产生的流动噪声问题，从气动声学理论框架出发，结合计算模拟和实验对定子尾流和转子及导管边界层内的湍流结构开展时空关联分析和模态分析，发展流动发声理论模型，进而探索流动噪声控制方法、如基于前后缘锯齿的湍流结构控制和降噪等新概念。本项目将依托国内的一流水洞设施，结合风洞实验，开展湍流结构显示和流动噪声源成像实验，重点发展基于速度场的压力场重构和水洞内近场声源成像实验技术，并对可公开外形的力学模型开展实验，从而支撑理论研究和演示流动噪声控制新方法。总的来说，我们会聚焦流动噪声前沿应用来提炼关键科学问题，重点研究新理论并发展实验新技术，从理论和实验方面来支撑水中装备低噪声研究。

本项目面向国防重大需求，具体针对核潜艇新型泵喷推进系统流动降噪问题，聚焦研究湍流结构吸入螺旋桨的耦合流动发声及脉动力的物理机制科学问题。主要研究内容包括螺旋桨低频宽带流动噪声的理论建模、数值模拟、及其低频声源实验技术，并探索了4种不同的流动控制策略。本项目取得的主要研究成果如下。（1）从理论角度阐明泵喷系统的“干草垛”噪声和脉动力来自于转子调制吸入湍流的频谱，将其搬运到了BPF叶频处，具体物理过程可用卷积来表达，从而解释了“干草垛”现象时有时无、发生时存在蓝移等现象。（2）从数值模拟角度找到了过去一直不能和美国Sevik实验标模结果匹配的原因，帮助校验和建设国内最大型水槽内的脉动力测试装置；进一步提出从水槽内脉动力测试结果直接预测远场噪声的方法，并通过数值模拟校验此方法，最后将其应用于大型水槽实际潜艇模型实验。（3）结合非线性声学和层析成像，原创提出了一种高分辨率的流动声源成像实验新方法。（4）理论结合计算，发展气动声学经典理论框架，给出螺旋桨最主要声源的近场表达，从理论上解释来自流体、气动面几何和远场辐射效应三部分影响；采用该近场声源表达可以跳过经典声比拟和声源反演，直接从CFD计算结果重构出精细的流动声源结构。（5）探索流动噪声控制方法，在艇体模型的围壳、尾舵等部位布置流动控制部件来抑制大尺度流动结构，并探索降低脉动力的最有效途径。总的来说，本研究的重要研究成果是针对湍流吸入螺旋桨问题，指出来流中关键的流动结构是涡波，非定常脉动力及噪声谱中的“干草垛”现象是涡波谱被搬运到BPF谐波处，并进一步提出流动声源可以看作是对应流动声的湍流结构，从理论、实验和计算三方面的研究成果来支撑水中装备低噪声设计。本研究中的2套泵喷研究模型的多个工况下的脉动力实验数据库已经公开，其它研究成果发表在国家科学评论、Progress in Aerospace Sciences和Journal of Fluid Mechanics（封面论文）等业内顶刊。