Effects and Mechanisms of Blade Perforation on the Cavitating Flow and Induced Noise of a Symmetric Propeller

在深海之中，寂静是一种装甲。对于潜艇和水下航行器而言，能够无声移动的能力往往与能够移动本身一样至关重要。这些舰船中产生不必要噪音的主要来源是螺旋桨——即推动船只前进的旋转装置。当螺旋桨叶片切割水流时，会产生极低压区域。当压力降得过低时，即使在温度依然寒冷的情况下，水本身也会开始沸腾，变成微小的蒸汽气泡。这种现象被称为空化现象（cavitation）。这些气泡极不稳定；它们迅速膨胀，然后剧烈塌陷，产生以噪音形式在水中传播的冲击波，并导致螺旋桨的金属部分发生振动，最终造成磨损。对于工程师而言，长久以来的挑战在于如何在不牺牲推进舰船所需动力的情况下，阻止这种沸腾现象及其产生的噪音。

来自华中科技大学和中国海军工程大学的研究团队探索了一个应对这一复杂问题的极其简单的方案：在螺旋桨叶片上钻孔。他们并没有试图重新塑造整个叶片的形状或增加复杂的活动部件，而是研究了在金属上打出小型永久性孔洞，从而将叶片的高压侧与低压侧连接起来后会发生什么。通过使用模拟水流与蒸汽混沌行为的高性能计算机仿真，他们测试了这些孔洞的大小、数量和位置。他们的研究表明，这种简单的改进可以大幅减少气泡的形成及其产生的噪音，尽管这会以牺牲一小部分螺旋桨效率为代价。

研究人员重点研究了一种标准的三叶螺旋桨，这是水下航行器的一种常见设计。他们构建了一个精细的螺旋桨及周围水流的数字模型，利用先进的数学方法追踪水如何转化为蒸汽并再次液化。为了确保计算机模型的准确性，他们首先将结果与在水洞中进行的实际实验进行了对比，证实了其仿真模型能够正确预测螺旋桨产生的推力和噪音水平。模型验证完成后，他们着手测试了九种不同版本的螺旋桨，每种版本都具有独特的孔洞模式。他们改变了孔洞的直径、每片叶片上的孔洞数量以及孔洞沿叶片分布的位置。

测试结果令人瞩目。研究人员发现，孔洞的大小和总数是控制蒸汽产生量的最关键因素。通过确定一种特定的配置（即他们认定的最优设计），与标准的实心叶片相比，该设计将蒸汽气泡的总量减少了近 88%。这种气泡的大幅减少直接转化为了更安静的螺旋桨。辐射到水中的总噪音降低了约 17 分贝，这一显著的降噪效果将使舰船更难被探测。然而，这种提升并非没有代价。这种带孔的螺旋桨在旋转时需要稍多的动力，其将动力转化为向前运动的整体效率下降了约 12%。研究结论指出，虽然这些孔洞成功抑制了水的沸腾及随之而来的噪音，但它们是通过改变水流过叶片的方式来实现的，这引入了一定程度的阻力。

为了理解孔洞为何奏效，研究人员仔细观察了计算机仿真中的隐形电流。在普通的螺旋桨中，叶片背面（吸力侧）的压力非常低，这会导致水发生沸腾并形成大面积的气泡层。孔洞充当了桥梁，允许来自叶片前侧的高压水流冲向背面。这产生了一个从孔洞中喷射出的稳定且集中的水流射流。该射流撞击原本会形成气泡的区域，将压力提高到足以阻止水发生沸腾的程度。此外，这个水流射流将通常在叶片上形成的连续大面积气泡层破碎开来，将其切碎成更小的、能量较低的碎片，使其在塌陷时更加安静，而不是产生巨大的冲击波。

研究还考察了这些变化如何影响导致螺旋桨振动的压力波动。在未打孔的螺旋桨中，随着气泡的形成与塌陷，叶片表面的压力会剧烈波动，产生一种节奏性的撞击力。有了孔洞后，这些剧烈的波动变得平缓了。叶片上的压力变得更加稳定，这意味着更少的振动和更少的噪声在水中传播。研究人员指出，虽然孔洞在叶片中部部分的辅助作用最为明显，但在靠近叶尖处，由于复杂的旋涡（tip vortex）干扰了射流，其效果略有不同。尽管如此，噪音和振动的整体降低程度依然是巨大的。

这些发现为工程师提供了一个必须管理的权衡关系。这种带孔螺旋桨并非一个毫无代价的完美解决方案。它牺牲了一部分驱动力，以换取在静音和减震方面的巨大优势。研究人员建议，最佳方法不仅仅是简单地在任何地方钻孔，而是要仔细选择孔洞的大小和数量，以平衡安静运行的需求与高效移动的需求。通过了解水流如何穿过这些微小的开口，设计师现在可以制造出更安静的螺旋桨，从而在无需对推进系统进行彻底重新设计的情况下，显著提升水下航行器的隐身能力。这项工作证明，有时控制强大流体的最有效方式不是阻挡它，而是让它穿流而过。