基于文本的海洋螺旋桨水声优化设计方法综述

本文献《Hydro-acoustic optimization of propellers: a review of design methods》是一篇发表于国际期刊 applied ocean research 2024年第151卷的综述论文（Review），文章编号为104158。该论文由来自西班牙马德里理工大学、西班牙bound4blue公司、丹麦技术大学等多个研究机构的学者Adrian Portillo-Juan、Simone Saettone、Poul Andersen和Esteban Ferrer共同完成。

本综述论文旨在全面审视和梳理近年来关于海洋螺旋桨水声优化设计领域的研究进展、方法与挑战。文章的核心论点是：螺旋桨作为船舶水下辐射噪声（Underwater Radiated Noise， URN）的主要来源，其设计与优化对于减轻人为海洋噪声污染、保护海洋生态至关重要。然而，这需要在降低噪声与保持甚至提升推进效率之间取得平衡，而实现这一目标需要综合运用实验、数值模拟以及多学科优化等多种手段。论文系统性地回顾了从螺旋桨设计、实验方法、数值模拟到优化策略的全链条技术。

论文主要观点阐述：

第一， 水下辐射噪声（URN）问题的严峻性与政策背景。 文章开篇即强调了人为水下噪声污染的紧迫性。研究表明，当前海洋噪声水平已比工业化前高出2-10倍，预计未来还将持续增长。这种噪声污染对依赖声音进行通讯、导航和生存的海洋生物（已涉及多达119个物种）产生了严重影响，包括掩蔽效应、通讯干扰以及生存威胁。尽管国际海事组织（IMO）、欧盟及其他一些机构（如CBD、HELCOM、OSPAR等）已发布了一系列指南和建议，呼吁通过改进螺旋桨设计来降低噪声，但这些规定大多是非强制性的。文章详细列举了自2004年以来主要国际组织和船级社（如IMO、DNV、BV、LR、ABS、RINA）发布的相关通讯、指南和规范，指出当前强制性的法规和统一的噪声阈值仍然缺乏。这一背景凸显了开展螺旋桨水声优化技术研究的必要性和紧迫性。

第二， 螺旋桨噪声的物理机理与影响因素。 论文深入分析了螺旋桨水下辐射噪声的产生机制，将其主要分为空化噪声和非空化噪声两大类。非空化噪声主要包括与桨叶谐频相关的离散线谱（低频为主）以及由湍流和边缘效应（如涡脱落）引起的宽带噪声。空化噪声则源于螺旋桨旋转导致的局部压力降至水蒸气压力以下，形成并随后溃灭的气泡（空泡）。不同类型的空化（如片空化、云空化、梢涡空化等）产生不同的噪声特征，例如片空化通常导致整体声压级（SPL）的普遍升高（类似白噪声），而云空化和梢涡空化则可能产生高频压力脉冲。文章特别指出，近期研究发现空化噪声中也存在显著的线性成分，可在中低频有效传播，这挑战了传统上认为空化噪声主要是非线性高频、衰减快的观点。在影响因素方面，论文综述了多个关键几何和运行参数，如桨叶侧斜角、来流倾角（由轴倾或船舶运动引起）、桨叶载荷等。研究表明，高侧斜角可使桨叶更平缓地通过伴流场，减少压力脉动，改善空化性能。而来流倾角的变化会显著改变环量分布、空化形态和噪声水平，变化可达20分贝。

第三， 通过螺旋桨创新设计与附件降低噪声的策略。 文章总结了三种主要设计策略：1）传统几何优化：主要通过调整侧斜、纵倾等参数，在保证效率的同时降低载荷和压力脉动。2）伴流改善装置（Wake Improvement Devices）：包括导管（如Mewis导管）、预旋定子（Pre-swirl Stators）、桨毂帽鳍（PBCF）等。这些装置旨在使流入桨盘面的流场更均匀，从而降低叶片载荷波动和空化风险。例如，预旋定子能产生与螺旋桨旋转方向相反的预旋流，抵消旋转能量损失，并减弱甚至消除梢涡，从而显著降低梢涡空化噪声。空气润滑系统也被提及作为一种潜在的可同时降低阻力和噪声的新方法。3）非常规几何设计（Unconventional Designs）：这是综述的重点之一。这类设计通过改变叶梢形态来管理载荷和空化，典型代表包括：CLT（Contracted and Loaded Tip）螺旋桨（通过端板将载荷向叶梢转移，平滑载荷曲线，理论上降低涡强度）；Kappel螺旋桨（采用非平面升力面，叶梢平滑弯曲，与端板融为一体，报道有2%-5%的效率提升）；后掠叶梢螺旋桨（BTRP）（叶梢向压力面弯曲，可缓和吸力面负压，改善空化性能，实验显示压力脉动显著降低）。文章指出，叶梢设计对空化和噪声有决定性影响，且这些非常规设计展示了在不牺牲效率前提下降低噪声的潜力。

第四， 水下辐射噪声的实验研究方法与挑战。 论文回顾了在空化水筒和拖曳水池中进行URN测量的主要实验研究。通过一个详细的表格，对比了不同研究使用的设施规模、测量频率范围、水听器数量及背景噪声评估方法。文章指出几个关键观察：1）测量通常需要覆盖较宽的频率范围（从几十Hz到数十kHz），以全面表征线谱和宽带噪声。2）背景噪声和设施内的声反射是影响测量准确性的主要挑战。3）尽管国际拖曳水池会议（ITTC）建议使用多个水听器，但多数研究仍采用单水听器，部分原因是在中小型空化水筒中布置阵列存在困难。4）用于分离背景噪声和反射影响的传递函数（Transfer Function） 法被广泛采用并证明有效。该方法将实验设施视为一个线性时不变系统，通过测量已知声源（如标准声源）的响应来获得传递函数，进而从实测数据中反演出真实的声源特性。文章还强调了粒子图像测速（PIV） 等流动可视化技术在捕捉空化流动非线性和涡结构方面的巨大潜力，这些流动特征直接关联于噪声产生。此外，论文指出在非设计工况下的噪声实验研究以及在其他设施（如拖曳水池，可更好地研究船体-螺旋桨相互作用）中的声学特性表征仍较为缺乏。

第五， 螺旋桨水声性能的数值模拟方法。 本部分系统比较了用于水声分析的各类数值方法，包括势流方法（边界元法BEM）和基于粘性计算流体力学（CFD）的方法（RANS， DES， LES）。论文通过一个综合表格和箱线图，总结了大量数值研究在模型类型、噪声建模、空化处理、优化方法、几何、尺度、最大分析频率及时间成本等方面的信息。核心发现包括：1）声类比方法，特别是Ffowcs Williams-Hawkings（FW-H）方程，是耦合流动求解器进行噪声预测的主流方法。它将噪声分为厚度项（运动产生）、载荷项（力脉动产生）和四极子项（非线性，如湍流和冲击波）。在螺旋桨噪声中，四极子项常被忽略或通过多孔公式（Porous Formulation）部分考虑。2）不同方法的适用性和成本差异显著：BEM方法计算成本低，适用于初步设计和参数研究，但在处理复杂非线性空化流动和高频噪声时精度受限。RANS方法提供时均流场，计算成本中等，但难以直接捕捉高频脉动，常需结合半经验模型，在高频预测上存在不确定性。尺度解析模拟（DES/LES） 能直接解析大尺度湍流结构和空化动态，精度最高，尤其适用于详细研究空化噪声机理，但计算成本极其高昂（可达数百万CPU小时）。箱线图显示，采用声类比（FW-H）的BEM和RANS研究通常关注较低的最大频率（中位数约1kHz），而LES/DES结合FW-H的研究可以覆盖更高的频率范围（中位数可达10kHz）。文章强调，对于涉及空化等强非线性现象的水声优化问题，传统遗传算法正逐渐被基于CFD数据驱动的神经网络和代理模型所取代，以应对高昂的计算成本。

第六， 螺旋桨水声优化的多目标优化方法。 论文将优化方法分为三类：1）迭代优化：基于梯度的传统方法。2）遗传类优化算法（如NSGA-II）：长期以来是螺旋桨多目标（如效率、空化、噪声）优化的主流，能够处理非连续设计空间。3）数据驱动优化：这是当前的前沿趋势。通过使用神经网络、高斯过程等机器学习技术，基于大量CFD或实验数据建立代理模型（Surrogate Model），可以极大地加速设计探索和优化过程，尤其适合于处理像水声和空化这样的复杂、非线性、高计算成本问题。这种方法允许在代理模型上进行快速评估，从而高效地寻找最优设计点。

第七， 研究结论与未来方向。 本文综述最终得出结论，海洋螺旋桨的水声优化是一个复杂且多学科交叉的挑战，需要在推进效率、空化性能和噪声辐射之间进行精细权衡。为了实现这一目标，必须采取一种全面、综合的方法，该方法应包含：深入的空化实验（采用先进的测量和背景噪声修正技术）和高保真数值模拟（如LES/DES）以准确理解物理机理；以及先进的优化框架，其中数据驱动模型和人工智能技术正发挥着越来越关键的作用，以克服传统方法在计算成本和处理非线性问题方面的局限。论文强调了未来研究需要更多关注非设计工况下的噪声、船体-螺旋桨-舵相互作用的声学影响，以及开发更高效、精确的数值与实验相结合的设计流程。

论文的意义与价值：

这篇综述论文的价值在于它为海洋工程、水声学及船舶设计领域的研究人员和工程师提供了一份全面、系统且及时的技术路线图。它不仅清晰地阐述了螺旋桨水下噪声问题的严重性和物理本质，还批判性地评估了从传统到前沿的各种设计、实验和数值工具的优劣与适用场景。通过梳理大量的研究项目、设计概念和具体案例，文章指明了当前的技术瓶颈（如强制法规缺失、高保真模拟成本、非设计工况研究不足）和未来的发展方向（如数据驱动优化、多学科深度融合）。因此，该论文对于推动绿色、安静的船舶设计，促进海洋环境保护，以及引导相关领域的学术研究和技术开发，都具有重要的参考价值和指导意义。