利用圆锥形凹槽减少旋转轴对称海洋物体的阻力并降低噪音

《Ocean Engineering》：Wake drag reduction and noise suppression of rotating axisymmetric marine bodies using conical grooves

旋转轴对称体表面锥形沟槽结构通过抑制涡流脱落和降低湍动能，实现23.1%的阻力减量和8.21dB的近场噪声抑制，其机理涉及涡流分解与声辐射耦合作用。

　　

夏海山|胡武龙|涂忠兰|尹世荣

武汉理工大学三亚科学与教育创新园，中国三亚，572000

摘要

旋转轴对称海洋物体（如水下航行器）会产生复杂的尾流，并伴随流致噪声，这些因素会对水动力性能和隐身特性产生不利影响。三维尾流涡旋结构是产生阻力和噪声的主要因素，这对海洋工程中的有效尾流控制提出了关键挑战。受仿生表面概念的启发，本研究在旋转轴对称物体的尾部引入了圆锥形沟槽结构，以控制尾流发展并抑制流致噪声。通过计算流体动力学（CFD）- 声学耦合仿真研究了减阻和降噪机制，其中大涡模拟用于解析尾流涡旋的演变过程，而Ffowcs Williams–Hawkings方法用于预测远场声辐射。通过与实验数据的比较验证了数值方法的可靠性。研究结果表明，沟槽的数量对尾流控制和噪声抑制起着关键作用。在亚临界雷诺数条件下（Re = 1 × 10^5），18条沟槽的结构（S18）使阻力降低了23.1%，近场噪声降低了8.21分贝。其主要机制是沟槽抑制了尾流螺旋涡旋，导致大尺度螺旋涡旋提前破裂为较小的条状涡旋。因此，湍流动能减少了多达69.78%，从而减弱了尾流压力波动，进而降低了噪声源的强度，尤其是低频噪声源（10–200 Hz）。这种尾部沟槽设计在控制尾流和抑制噪声方面表现出有效性，为提高隐身性能提供了新的方法。

引言

在钝体周围的流动中，来流与结构之间的相互作用会产生强烈的尾流和周期性涡脱落（Spedding, 2014; Kim et al., 2018）。这种非稳态流动不仅增加了压力阻力并降低了推进效率，还是流致噪声的主要来源（Ananthu et al., 2024）。对于水下航行器而言，尾流噪声显著影响其隐身性能。因此，有效控制尾流结构并减轻噪声源对于提升这些航行器的隐身能力至关重要。

流动控制技术是改善流动特性和降低噪声辐射的有效方法。根据能量输入方式，流动控制技术可分为主动控制和被动控制两类（Font et al., 2025）。主动控制涉及引入外部能量来扰动流体流动，例如通过多孔壁注入/抽出近壁流体（Abbasi and Souri, 2020; Li et al., 2020）、高速喷射（Hu et al., 2025）、旋转小圆柱体重构近壁速度（Siozos-Rousoulis et al., 2017）或电极激发产生等离子体（Mahdavi et al., 2024）以实现减阻和降噪。尽管主动控制具有巨大潜力，但其复杂的系统和高能耗限制了实际应用。相比之下，被动控制技术结构简单且不需要外部能量（Joshi and Gujarathi, 2016），特别适用于车辆的长期运行。当前的被动控制策略主要包括：（1）形状优化，即调整外部形状以改变压力分布和流动分离点（Yu et al., 2024; Chen et al., 2024）；（2）使用附加装置通过引入扰动来稳定尾流，例如涡流发生器（Zhu et al., 2025）、分流板（Soumya and Prakash, 2017）和螺旋侧板（Kharazmi and Ketabdari, 2022），这些装置直接作用于基础压力并减少尾流区域的压力波动，从而实现流动控制；（3）表面修饰，如肋条（Muhammad and Chong, 2022; Kim et al., 2024）、沟槽（Jia et al., 2022; Soyler et al., 2022）和多孔介质（Hu et al., 2020; Zhang et al., 2024; Moradi and Mojra, 2024），这些方法已在海洋工程中应用于减阻和降噪。表面沟槽结构作为减阻和降噪方法在海洋工程中受到越来越多的关注。Muhammad和Chong（2022）使用粒子图像测速（PIV）研究了带槽空心圆柱体的尾流特性，并探讨了不同水平及垂直方向槽配置对尾流修正的影响，揭示了水平和垂直槽形状在流动控制中的不同作用。仿生学概念进一步改进了沟槽形状结构，提高了其在不同流动条件下的有效性。Masud等人（2025）回顾了仿生学及其在工程中的应用，强调了受海洋物种启发的仿生策略的变革潜力。

表面沟槽结构通常根据其几何方向分为横向沟槽（垂直于主流方向）和纵向沟槽（平行于主流方向）。横向沟槽因对钝体结构分离点和尾流再附的影响而受到关注（Soyler et al., 2022; Mariotti et al., 2017; Lunghi et al., 2024）。通过诱导局部循环和促进再附，横向沟槽缩短了尾流再循环区，增加了肩部基础压力，降低了压力阻力，并延迟了流动分离。然而，横向沟槽的减阻性能对沟槽连续性和几何尺度非常敏感，不连续的沟槽可能会引发局部流动分离（Mariotti et al., 2017）。相比之下，沿流动方向连续分布的纵向沟槽避免了这一问题，并在尾流结构控制方面表现出优势。最初，涉及纵向沟槽的流动控制策略应用于平板湍流边界层的减阻，重点调节近壁边界层结构。随后这一策略扩展到典型的钝体流动，如圆柱体和机翼周围的流动，特别是在流动分离占主导的情况下。研究表明，在亚临界雷诺数范围内（7.4 × 10^3至1.8 × 10^4），纵向矩形沟槽可将圆柱体的平均阻力降低18%–28%，并缩短尾流长度15%–25%（Zhou et al., 2015）。Zheng等人的研究（2021）表明，圆柱体上的纵向沟槽不仅提前了边界层转变，将阻力危机发生的雷诺数从2 × 10^4提高到5.8 × 10^4，还有效抑制了涡脱落噪声。在研究圆柱体和机翼表面的沟槽时，许多研究集中在不同沟槽形状（如V形、矩形和U形沟槽（Afroz and Sharif, 2022）及其排列（Canpolat and Sahin, 2017）以及沟槽结构的尺寸和深度（Wu et al., 2019）的影响上，这些研究基于广泛的实验和数值模拟。除了减阻之外，纵向沟槽在流动噪声控制中的应用也受到了越来越多的关注。这些沟槽结构通过改变尾流涡旋结构来影响噪声源。例如，圆柱体和机翼上的沟槽削弱了尾流涡旋结构，从而降低了偶极子和四极子噪声源的强度（Zheng et al., 2021; Huang et al., 2020）。在风洞实验中，圆柱体上的纵向沟槽在亚临界雷诺数下可将空气动力噪声降低5-8分贝，其机制与流动分离延迟和尾流湍流强度降低有关（Fujisawa et al., 2020）。

尽管纵向沟槽在圆柱体和机翼等传统几何形状的减阻和降噪方面表现出一定效果，但其在特殊结构（特别是旋转轴对称物体）上的应用研究仍有限。旋转轴对称物体（如图1(a)所示）在飞机和水下航行器中广泛应用，但与圆柱体和机翼（如图1(b)所示）相比，尤其是在减阻和降噪方面的研究较少。关于沟槽结构对旋转轴对称物体尾流涡旋噪声源影响的研究也较为有限。迄今为止，大多数研究集中在稳态流动条件下的阻力分析（Tran et al., 2025）。因此，需要进一步研究沟槽结构在旋转轴对称物体中引起的减阻和降噪机制，以提供新的流动控制和尾流噪声抑制方法。

基于这一研究空白，本研究借鉴了仿生设计原理（Lindgren et al., 2025），借鉴了自然沟槽结构，如鲸鱼胸鳍上的突起、贝壳的肋状表面和鲨鱼皮肤的纹理（见图1(c)）。在轴对称物体的尾锥区域引入了纵向沟槽结构（见图1(d)）。与传统矩形纵向沟槽相比，尾部的圆锥形沟槽在控制尾流方面更为有效。本研究还利用大涡模拟（LES）和FW-H声学类比方法，结合Q准则涡旋识别和涡旋强度场分析，探讨了沟槽结构与尾流涡旋的频率、强度和相干性之间的关系。通过对三维尾流涡旋结构及其与远场声学特性的定量分析，进一步阐明了圆锥形沟槽的流动-声学耦合控制机制。本研究采用LES和FW-H声学类比方法系统研究了圆锥形沟槽对尾流涡旋动力学和远场声学特性的影响，建立了沟槽几何形状、涡旋强度和声源强度之间的定量关系，为沟槽诱导的减阻和降噪提供了新的物理见解。

节选内容

控制方程

为了准确评估沟槽结构在减阻和降噪方面的性能，分析尾流中的非稳态涡旋结构及其相关的声辐射是必要的。这些因素直接影响噪声源强度和流场阻力。流动噪声源于剪切层和尾流区域的压力和密度扰动，这些扰动增强了可压缩性效应，改变了与不可压缩流动相比的声波传播。

减阻特性分析

图9显示了不同雷诺数和沟槽数量下轴对称物体总阻力系数C_D的变化。在Re = 4.34 × 10^4时，从图9可以看出，随着沟槽数量的增加，阻力系数逐渐减小。具体来说，S12相比S0实现了26.2%的阻力降低。

结论

本研究探讨了旋转物体尾部圆锥形沟槽对减阻和降噪的影响，重点研究了这些沟槽如何影响尾流和噪声降低。利用大涡模拟（LES）和FW-H声学类比方法，我们分析了不同沟槽数量（S0、S6、S12、S18）在Re = 4.43 × 10^4和Re = 1.0 × 10^5条件下的流动特性、涡旋演变、湍流动能和声学方向性的影响。研究揭示了耦合机制。

CRediT作者贡献声明

夏海山：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，调查，正式分析，数据管理。胡武龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取，概念化。涂忠兰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。尹世荣：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

主要作者胡武龙感谢国家重点研发计划（编号：2023YFB4301700）的财政支持。我们非常感谢审稿人投入大量时间和精力提供宝贵建议，这些建议对提高论文质量起到了重要作用。