繁星 力学说 2025年11月24日 08:50 河南

前言

受猫头鹰翼后缘锯齿结构降噪特性的启发，西南交通大学马智豪教授团队提出两种应用于水下航行器围壳尾缘的锯齿形降噪结构：三角形锯齿和铁形锯齿。研究采用大涡模拟和FW-H方程分析了锯齿对围壳周围流动特性和远场噪声特性的影响，通过构建可穿透积分面结合“消失球”方程捕捉四极子噪声。基于流场降阶方法提取声源的主要相干结构，识别流场和声源的映射关系，从而揭示了尾缘锯齿对流动噪声产生影响的物理机制。研究表明：锯齿对流动噪声具有双重影响，即偶极子和四极子噪声的耦合影响。三角形锯齿和铁形锯齿最大可降低4.32 dB和4.86 dB的总噪声，但铁形锯齿在四极子噪声源较强区域会放大总噪声。尾缘锯齿阻碍两侧水流在齿顶汇聚并产生流动分离，减少了边界层的湍流波动，从而破坏了压力脉动的垂向相干性和能量，导致偶极子噪声源被消弱。尾缘锯齿延长了围壳尾流连续涡结构，空间涡结构的畸变使Lamb矢量幅值增加，从而形成较强的四极子噪声源能量。

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文章小结

本文针对水下航行器的围壳结构流动噪声的降噪问题，基于仿生学设计了两种尾缘锯齿结构，实现了噪声的降低，探讨了其影响流动噪声的物理机理，具体的结论如下：

1） 尾缘锯齿对围壳结构辐射的流动噪声有双重影响。一方面使偶极子噪声降低，另一方面增加了四极子噪声，但总噪声是两者耦合作用的结果。三角形锯齿表现出良好且稳定的降噪性能，其最大可以降低4.32 dB的总噪声，但在四极子声源较强位置，铁形锯齿会增加总噪声。

2） 锯齿会使尾缘的水流产生流动分离和阻碍两侧水流在齿顶的汇聚，导致边界层内的湍流波动被削弱，缓解了尾缘处的压力脉动并破坏其垂向相干性，从而使偶极子噪声源的强度降低。

3） 围壳结构尾流涡结构的演化与四极子噪声源的强弱相互关联。尾缘锯齿延迟了连续流向涡结构演化为发夹涡和破碎为小尺度涡结构，增强了尾流区域的

$ |{\cal{L}}| $，从而形成能量更强的四极子噪声源，导致远场四极子噪声增加。

4） 尾缘锯齿提高了非定常偶极子声源DMD模态的稳定性，导致偶极子噪声的降低。通过POD分解证明四极子噪声源的演化过程是多尺度相干运动共同作用的结果，具有强非线性特性。在水下航行器的围壳尾缘增加锯齿是一种提高水下航行器声隐身性能的有效方案。本研究扩展了对噪声源演化机理的认识，为未来水下航行器的设计和水动力噪声的控制提供了思路。在未来，需要进一步考虑弹性锯齿产生的流固声耦合效应如何影响噪声。