超疏水表面降低水下航行器流噪声机理与关键技术研究

Noise control is a bottleneck technology of Unmanned Underwater Vehicle (UUV) performance. The reduction noise technology by superhydrophobic surfaces is a highly effective bionic technology, which does not change the structure, shape of UUV, or add auxiliary equipments. It can achieve significant reduction noise effect only to coat superhydrophobic coating on the outer surface of UUV. There are many outstanding advantages, such as stable performance, easily using, repeated using. The scientific and technical issues of the reduction noise by superhydrophobic surfaces have attracted increasing attention. It is an effective way to reduce the flow noise of UUV to fabricate low-cost superhydrophobic surfaces. The low surface energy effect and surface artificial microstructure effect will be used; the internal mechanism and the key technologies of reduction noise by superhydrophobic surfaces will be studied in this project. The flow-field characteristics and interface properties of superhydrophobic surfaces will be obtained, the intrinsic mechanism of reduction noise will be explored, the flow noise prediction method and testing method of UUV with superhydrophobic surfaces will be established and the basic law of reduction noise by superhydrophobic surfaces will be revealed. The research in this project will is the necessary theoretical foundation and technical support to enhance the noise performance of UUV.

噪声控制是制约水下航行器性能提升的瓶颈技术。超疏水表面降噪技术是一种高效的新型仿生降噪技术，该技术不需要改变航行器结构、外形，也不增加辅助设备，仅需在壳体外表面喷涂超疏水涂层即可获得显著降噪效果，具有降噪性能稳定、应用简便、可长期反复使用等突出优势。超疏水表面降低流噪声的相关科学和技术问题受到日益关注，构筑具有显著降噪效果、易于制备、低成本的超疏水表面是降低水下航行器流噪声的有效途径。本项目将综合利用低表面能和表面人工微结构的作用机制，系统地开展超疏水表面降低水下航行器流噪声机理与关键技术研究，获得超疏水表面的流场特性及界面特性，探索超疏水表面降低流噪声的内在机理；建立超疏水表面水下航行器流噪声预报模型和测试方法，揭示超疏水表面降低水下航行器流噪声的基本规律，为水下航行器噪声性能提升奠定理论基础和提供技术支持。

噪声控制是制约水下航行器性能提升的瓶颈技术，降低流噪声能够大幅提高水下航行器的探测能力。常规的降噪技术应用于水下航行器流噪声控制时存在诸多限制，如工艺复杂、成本太高、对环境因素过于敏感等，而疏水表面降噪技术是一种高效的新型仿生降噪技术，该技术不改变航行器结构、外形，也不增加辅助设备，仅需在壳体外表面喷涂疏水性涂层即可获得显著降噪效果，具有降噪性能稳定、应用简便、可长期反复使用等突出优势。疏水表面降低流噪声的相关科学和技术问题受到日益关注，但疏水表面的微观流场特性、声场特性、降噪机理、降噪规律等问题至今仍缺乏深入系统的研究。.本项目综合利用低表面能和表面人工微结构的作用机制，系统地开展了疏水表面降低水下航行器流噪声机理与关键技术研究，获得的重要结果如下：.（1）表面能测试、XPS能谱测试、微形貌测试结果表明，疏水表面组分中由于含有-C-Si、-C-F2等疏水基团，具有比亲水表面低得多的表面能，而且疏水表面上分布着许多不规则形状的凹坑，为形成气液自由剪切面和滑移流动提供了有利条件。基于此，分别从物理特性角度和流体力学角度提出了基于低表面能效应和滑移流动效应的疏水表面减阻降噪机理。.（2）提出了基于壁面滑移理论的疏水表面流场数值模拟方法，从近壁面速度分布、近壁面湍动能分布、近壁面湍流耗散率分布以及近壁面涡量分布等方面揭示了疏水表面对其边界层流场的影响规律。.（3）提出了基于边界元理论的疏水表面声场数值模拟方法，从声压级频响曲线、沿径向声压级分布及虚拟指向性声压级分布等方面分析了疏水形表面声场特性，得出了疏水表面具有一定降噪作用的结论。.（4）基于热线测速技术提出了一套适用于水下固体壁面湍流边界层流场的测试方法，开展了不同润湿性表面湍流边界层流场测试，发现疏水表面近壁区流场的时均速度增大，湍流度及平均湍动能减小，其原因是特殊的表面润湿性降低了湍流猝发的脉动强度和维持时间，这是疏水表面在湍流状态下具有减阻降噪效果的内在原因。.（5）建立了利用高速水洞开展疏水表面UUV模型降噪特性的实验测试与评估方法，开展了一系列普通表面和疏水表面UUV模型在不同来流速度下的流噪声测试，发现疏水表面在不同水速下都具有降低流噪声的效果，最大降噪量超过5dB。