螺旋桨梢涡空泡声谱峰特征产生机理研究

For surface ships navigating at middle and high speeds, the rapid rotation of propeller usually generates low pressure region near the blade tip, which makes tip vortex cavitation appear. Cavitation is the dominating noise source for ship underwater radiating noise. The radiating noise will dramatically increase when cavitation appears. Hence, how to surpress the cavitation noise is a critical issue for sound stealth of surface ship. Experimental results show that there exists spectrum hump characteristic for the propeller tip vortex cavitation noise, which may relate to the tip vortex cavitation dynamics. However, due to complexity of modeling of the tip vortex cavitation, there is no information available explaining its mechanism. Moreover, the hump frequency and intensity determines the noise level, therefore it is necessary to study the mechanism of the spectrum hump characteristic, which will guide propeller cavitation inception determination and noise prediction..The project aims to study the noise spectrum characteristics of propeller tip vortex cavitation. Firstly, synchronizing measurements of propeller cavition images with high resolution and noise is carried out. Secondly, distribution field both in time and space of the tip vortex cavitation is obtained using image processing technique and cavitation dynamics model is built. Finally, correlation between noise time-frequency characteristics and tip vortex cavitation dynamics is established, and the mechanism of noise spectrum hump characteristic for tip vortex cavitation is uncovered.

水面舰船在中高速航行时，螺旋桨叶片的高速旋转极易产生梢部低压区，从而发生梢涡空泡现象。空泡是舰船水下辐射噪声中最强的声源。螺旋桨一旦出现空泡，其辐射噪声将急剧增加。如何抑制螺旋桨空泡噪声是水面舰船声隐身面临的重要瓶颈问题。实验结果表明螺旋桨梢涡空泡存在声谱峰特征，可能与梢涡空泡动力学特性存在某种联系，由于梢涡空泡动力学建模复杂性等原因，目前尚无公开资料对其产生机理进行阐述，而声谱峰的频率和强度将直接决定其噪声量级，因此亟需开展螺旋桨梢涡空泡声谱峰特征产生机理研究工作，可为螺旋桨空泡起始判别和空泡噪声预报提供指导。.本项目以螺旋桨梢涡空泡为研究对象，开展高时空分辨率的螺旋桨空泡形态图像采集与噪声的同步测量，通过先进的图像分析技术获取梢涡空泡时空分布场，建立螺旋桨梢涡空泡动力学模型与空泡噪声时频特性的相关关系，揭示螺旋桨梢涡空泡声谱峰特征产生机理，为螺旋桨空泡起始判别和空泡噪声预报提供新思路。

水面舰船在中高速航行时，螺旋桨叶片的高速旋转极易产生梢部低压区，从而发生梢涡空泡现象。空泡是舰船水下辐射噪声中最强的声源。螺旋桨一旦出现空泡，其辐射噪声将急剧增加。如何抑制螺旋桨空泡噪声是水面舰船声隐身面临的重要瓶颈问题。实验结果表明螺旋桨梢涡空泡存在声谱峰特征，声谱峰的频率和强度将直接决定其噪声量级，因此亟需开展螺旋桨梢涡空泡声谱峰特征产生机理研究工作，可为螺旋桨空泡起始判别和空泡噪声预报提供指导。.为揭示螺旋桨梢涡空泡声谱峰产生机理，开发了高时空分辨的空泡图像与噪声同步测量技术，发展了空泡动态行为与噪声的相关性分析方法。考虑到螺旋桨问题的复杂性，首先开展椭圆水翼梢涡空泡与噪声同步测量试验研究，发现水翼梢涡空泡在各个发展阶段均存在窄带峰声学特征。通过水翼梢涡空泡时空演化过程分析，结合柱坐标系声波动方程表达及声边界匹配求解技术，建立了梢涡空泡声辐射模型，模型预报结果与试验测量结果吻合较好。针对螺旋桨梢涡空泡，基于循环水槽螺旋桨梢涡空泡形态高速摄像与噪声同步测量及分析，与水翼类似，螺旋桨梢涡空泡同样在各个发展阶段存在窄带峰声学特征，但螺旋桨梢涡空泡噪声窄带峰特征呈现周期性出现和消失的规律，这是由于船后非均匀流场的作用导致梢涡空泡本身周期性生长、发展和溃灭。通过空泡体积脉动和梢涡空泡声辐射模型可以较好地预报螺旋桨梢涡空泡各个发展阶段噪声特征，揭示了螺旋桨梢涡空泡声谱峰产生机理。.应用螺旋桨梢涡空泡声谱峰特征，建立了螺旋桨空泡起始声学判别方法，螺旋桨梢涡空泡间隙性生长、发展和溃灭会在时频图中产生低频特征峰值，为实船空泡起始准确判别和空泡状态监测提供了技术支撑。根据螺旋桨空泡起始声学判别方法以及空泡发展演化的噪声特征，进行了空泡噪声尺度效应研究，为实尺度螺旋桨空泡噪声准确预报提供了理论指导。