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螺旋桨水动力噪声相似关系研究 周心一 魏以迈 吴有生 (中国船舶科学研究中心无锡214082) 摘 要 本文针对螺旋桨水动力噪声研究中的实际需要，根据大量理论与实验研究的结 果茬建立水动力声学基本相似关系的基础上，研究了由于不满足雷诺数相似这一条件而可 能导致的相似关系的破坏以及需要进行的相应的修囸.研究结果表明尽管严格说模型桨与 实桨的水动力嗓声并不完全才刚以，但从工程应用的角度来看只要保证桨叶表面流体的流动 状态沒有本质的区别，则从模型实验的结果推算实桨噪声性能是可行的其关键是要对因雷 诺数不同而引起的差异进行适当的修正。为了确定這样的修正关系除了利用模型和实桨的 对比实验结果外，还专门研究了在同一模型上进行实验研究的可能性文中还讨论了桨叶振 动的影响以及当测试距离不满足相似关系时所需进行的修正等. 关键词 船舶螺旋桨，水动力嗓声模型试验，相似关系 引 言 螺旋桨水动力噪声的┅般特性为从次声频直到超声频的宽带连续谱上叠加着一些低 频特征线谱其中低频线谱主要是由于桨叶在船尾不均匀伴流场中运转时受嶊力周期性 脉动所激发，它是船舶螺旋桨噪声中目前唯一能从理论上计算其辐射声场强度及方向特 性的部分宽带噪声主要来自于桨叶随邊尾涡的随机性脱落、湍性尾流与运动叶片的相 互干扰及湍流边界层等引起的桨上推力随机脉动，对它的计算涉及粘性流场的动力学问 题至今理论上尚未很好解决。连续谱的高频部分(从+几千赫到上百千赫)主要受空化的 影响对于无空化的安静航行状态，这部分能量较少對总声级影响不大。对几十赫以 下的低频噪声由于可将整个螺旋桨当作声紧密源，用近似方法进行估算误差不大唯 有占总声能童大部汾的声频范围，至今没有一个较好的方法能对其谱级作出理论预估 通常只能从实验上来判定某一螺旋桨的噪声性能。 尸 然而要从实验室模型实验的结果直接推算出实桨的噪声性能，仍然是个有待解决 的问题亦即流体动力声相似的问题。流体动力声学(包括气动与水动声學)研究流体运动 与声音的相互作用和影响它本质上应与流体动力学是一致的，因为它们遵循着同样的 即由质量守恒定律导出的连续方程和由动量守恒定律导出的Navier-Stocks方 ，如果流体运动所有主要的相似准则都能得到满足则流体动力性噪声现象是 然而实际上这一点却无法做到。声学问题是压力扰动在可压缩介质中传播的问 故马赫数是起决定作用的因素:而流体动力相似性又取决于雷诺数由于在同一介 质中无法使模型与实物的马赫数及雷诺数同时保持一致，因此原则上不能从模型实验来 模拟实际的水动力噪声问题雷诺数的不同有可能导致桨叶表面上的流态的根本性不同: 即层流和湍流，从而桨上作用的水动力以及由此激发的噪声也完全不同事实上，即使 是在单纯的螺旋桨水动仂研究中(可以不考虑马赫数)由于设备或模型本身的某些限制， 262 通常也难以保证模型桨与实桨雷诺数的一致而只要求其在临界雷诺数以仩，即认为流 体动力相近(尽管不是相似)并在此基础上进行适当的尺度修正。所以研究流体动力声 学的相似性不是为了寻找新的相似准則或相似数，而主要是要研究在某些相似准则不能 满足的情况下如何对结果进行修正为此，我们首先需要研究螺旋桨水动力噪声的不同 噭发机理以及在整个过程中所起的作用 2 基本理论及实验依据 如前所述，声频段的宽带辐射主要来自于桨叶随边尾祸的随机性脱落、湍性尾流与 运动叶片的相互干扰及湍流边界层等引起的桨上推力随机脉动Sharland曾对这几种不同 类型的发声机理进行了分析研究，并根据有关流线型及非流线型截面长柱体的实验结果 导出了相应的估算其辐射声功率的半经验公式III根据Sharland的研究结果，尾涡随机发 放引起升力脉动所激发嘚噪声功率为 2 ( 1 Po