随着小型旋翼无人机在军事、科研以及商业等领域的不断普及与发展,噪声水平成为评价其综合性能的重要指标之一。旋翼噪声作为无人机最主要噪声近年来引起了广泛关注,在保证气动性能的前提下有效控制旋翼离散与宽带噪声不仅是无人机在发展中所面临新的挑战与机遇,同时也是目前研究的一个热点与难点。本文针对仿静音飞行猫头鹰羽毛结构特征设计的仿生前缘锯齿、后缘锯齿以及前、后缘锯齿耦合结构,系统地展开了关于无人机旋翼气动性能与噪声特性的实验与数值模拟研究。论文的主要研究工作与成果如下:（1）以2桨叶17inch无人机旋翼模型为对象,将基于改进延迟分离涡模拟（Improved Delayed Detached Eddy Simulation,IDDES）模型的三维纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations,N-S方程）与切割体-多面体网格组合技术结合来求解小型无人机旋翼在湍流环境以及自由声场中的不可压缩流动问题,同时利用IDDES模型与FW-H（Ffowcs Williams-Hawkings）方程相结合的流场/声场混合计算气动声学（Hybrid Computational Aeroacoustics,HCAA）方法计算旋翼叶片的力学与声学特性。对比IDDES模型与剪切应力传输（Shear Stress Transfer,SST）k-ω模型计算的旋翼升力结果,发现IDDES模型计算值与实际测量值更为接近。采用HCCA方法计算所得旋翼噪声频谱与实验测量结果在相关特性上具有较好的吻合度。（2）基于猫头鹰羽毛前缘倒钩状锯齿结构特征,设计具有不同形态参数的仿生前缘锯齿旋翼（Leading-edge Propeller,LEP）,LEP参数与形态效应研究表明降噪效果对前缘锯齿分布长度最敏感,其次是宽度以及长度;尖端尖锐的对称结构锯齿更有利于噪声抑制。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）流场仿真分析揭示了前缘锯齿降噪机理在于改变旋翼叶片前缘流动分布,锯齿诱导涡流减小叶片上的非定常载荷、降低湍流-前缘干涉,抑制2kHz频率以下范围内的离散噪声辐射;前缘锯齿诱导涡流间压力脉动相互抵消,降低叶片吸力面上湍流中的随机脉动幅值,削弱宽带噪声。性能最优的LEP设计（LE-Sawtooth）对比原型旋翼气动性能提升3.5%、总声压级分别降低2.7dB和2.3dB,在不同悬停高度的无人机上取得3.8-4.7dB的实际降噪效果。（3）基于猫头鹰翅膀后缘羽毛形态及分布特征,设计具有不同形态参数的仿生后缘锯齿旋翼（Trailing-edge Propeller,TEP）,TEP参数与形态效应研究表明后缘锯齿分布长度对旋翼气动性能与噪声特性影响显著;锯齿间隙是产生降噪的关键。CFD流场仿真分析揭示了后缘锯齿降噪机理在于微射流与锯齿诱导涡流的共同作用,通过延迟流动在后缘的分离以削弱湍流-后缘干涉、减小后缘分离泡与脱落涡尺度并降低随机脉动幅值,有效抑制了旋翼噪声中2-12kHz频率范围内的宽带噪声。性能最优的TEP设计（TE-3/4DL）对比原型旋翼气动性能提高6.2%、总声压级分别降低2.6dB和2.8dB,在不同悬停高度的无人机上取得3.4-4.5dB的实际降噪效果。（4）基于对LEP和TEP的研究结果,仿猫头鹰翅膀多结构单元协同降噪机制设计了前缘-后缘锯齿耦合仿生旋翼（Bionic Coupled Propeller,BCP）。耦合锯齿结构综合了单一结构前缘、后缘锯齿在旋翼上的降噪特性,在一定程度上削弱了 2kHz频率以内的中低频离散噪声,同时对2-12kHz频率范围内的中高频宽带噪声有明显的抑制效果,整体降噪效果优于两种单一结构锯齿。耦合锯齿结构降噪机制在于前缘、后缘锯齿被动流动控制的协同作用。BCP对比原型旋翼气动性能提升8%、总声压级分别降低3.1dB和2.9dB,在不同悬停高度的无人机上取得4.1-4.9dB的实际降噪效果。