一種新型水上減阻仿生技術(shù)研究

白向華，呂建剛，高 飛，任伯峰

（1軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2 63880部隊(duì)，河南 洛陽 471003）

1 引 言

目前，兩棲車輛主要為排水型，在接近15 km/h時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“埋首”現(xiàn)象，即出現(xiàn)工程上所謂的“阻力墻”和“速度極限”，導(dǎo)致阻力急劇增大，限制航速進(jìn)一步提高[1-2]。此時(shí)減阻的關(guān)鍵是改變兩棲車輛航態(tài)，即由排水狀態(tài)進(jìn)入水動(dòng)力支撐航態(tài)[3]，各航態(tài)的阻力曲線如圖1所示[4]。安裝水翼或采用氣墊技術(shù)可達(dá)到上述要求，但水翼復(fù)雜的收放機(jī)構(gòu)直接影響兩棲車輛陸上機(jī)動(dòng)性能；氣墊技術(shù)所需的動(dòng)力源、強(qiáng)力風(fēng)扇令兩棲車輛無法接受；美國EFV戰(zhàn)車采用“變形金剛”式滑板技術(shù)和超大功率車用發(fā)動(dòng)機(jī)可使兩棲車輛進(jìn)入滑行狀態(tài)（如圖2所示）[4]，但復(fù)雜的滑板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致可靠性低，且超大功率車載發(fā)動(dòng)機(jī)難以實(shí)現(xiàn)。

圖1 不同航態(tài)兩棲車輛的阻力曲線比較Fig.1 Resistance curve comparison of amphibious vehicle in different sailing status

圖2 EFV托出水面高速滑行狀態(tài)Fig.2 High speed sliding status above water of EFV

蛇怪蜥蜴是美洲熱帶雨林中的一種動(dòng)物[5-6]，其身體密度大于水，經(jīng)過上億年的進(jìn)化，能夠依靠兩個(gè)腳掌以合適角度、高頻率踩踏水面，形成瞬間氣腔，產(chǎn)生極大的高速固液作用力，支撐蛇怪蜥蜴身體重量并推動(dòng)其在水面高速奔跑。這種生物水上奔跑原理給兩棲車輛航態(tài)改變帶來了啟發(fā)。通過研究蛇怪蜥蜴踏水機(jī)理，將其應(yīng)用到兩棲車輛水上航態(tài)改變上，為兩棲車輛減阻、提速提供一個(gè)新的研究方向。

2 仿生研究

2.1 蛇怪蜥蜴水上奔跑機(jī)理

經(jīng)過上億年的進(jìn)化，蛇怪蜥蜴單腳連續(xù)踩踏水面的頻率可達(dá)5-10 Hz，水上通過速度1.5 m/s左右，其在水上高速奔跑時(shí)腳掌的踏水過程大致分為三個(gè)階段：下踏，后劃，收腿[5-7]。

下踏階段為腳掌與水面開始接觸到垂直向下踏水的過程，主要產(chǎn)生升力；后劃階段指在下踏動(dòng)作完成后，腳掌向后、向下踩踏水，直至產(chǎn)生脫落渦環(huán)進(jìn)入恢復(fù)階段，此階段產(chǎn)生全部推進(jìn)力和主要升力；收腿階段分為向上收腿和向下彈腿兩部分，向上收腿階段蛇怪蜥蜴必須在氣腔破裂之前把腳從氣腔中縮回避免陷入水中，這是十分關(guān)鍵的，向下彈腿階段，蜥蜴主要用來增大下踏速度為下一次踏水的下踏階段做準(zhǔn)備，在整個(gè)收腿階段蜥蜴腳掌和水并沒產(chǎn)生明顯的作用力[8]。至此，蛇怪蜥蜴完成一次完整的踏水過程，腳掌返回下一踏水周期的下踏階段。如圖3顯示從側(cè)面和背面觀察的質(zhì)量為20.8 g的蜥蜴在一次踏水過程中的三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，其水面奔跑速度為1.4 m/s[7]。

分析蛇怪蜥蜴踏水過程，發(fā)現(xiàn)它主要利用兩個(gè)腳掌以合適的角度踩踏水面，形成瞬態(tài)水面氣腔（圖3所示），在氣腔破裂前完成腳掌的縮回，兩個(gè)腳掌高頻率交替踩踏，形成新氣腔，繼續(xù)在新氣腔破裂前收回腳掌，保持踩踏中氣腔不破裂，水面給腳掌極大的固液的作用力，推動(dòng)其在水面高速奔跑。在麥克馬洪和葛拉辛的研究中[5]，氣腔從產(chǎn)生到破裂的時(shí)間在0.08到0.09 s之間，因此蛇怪蜥蜴必須有一個(gè)最低踏水頻率。這說明踏水速度和頻率是蛇怪蜥蜴水面奔跑的重要因素，此外還與腳掌面積、踏水角度等因素有關(guān)。

圖3 蛇怪蜥蜴踏水過程的各個(gè)階段Fig.3 Each phase of a basilisk lizard treading water

2.2 仿蛇怪蜥蜴模型

蛇怪蜥蜴水面奔跑現(xiàn)象揭示了這樣的一個(gè)重要原理：在高速、瞬間條件下，固體和液體的相互作用可近似看成固體和固體間的相互作用，會(huì)產(chǎn)生極大的作用力?；诜律鷮W(xué)原理，通過觀察和分析蛇怪蜥蜴的水上高速奔跑過程，深入研究蛇怪蜥蜴在水面奔跑時(shí)流體和固體相互作用的動(dòng)力學(xué)原理，拋棄以往兩棲車輛排水型浮力方式，在仿真分析和原理試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型兩棲車輛減阻技術(shù)。

基于此技術(shù)，簡化蛇怪蜥蜴踏水模型，如圖4所示[8]，設(shè)計(jì)以剛性葉片模擬蛇怪蜥蜴腳掌的輪—葉復(fù)合式減阻裝置。首先，它與傳統(tǒng)兩棲車輛阿基米德體積排水產(chǎn)生浮力原理不同，其實(shí)質(zhì)是利用仿生葉輪葉片高速連續(xù)地拍擊水面，產(chǎn)生向上托舉力F1和水平推進(jìn)力F2，隨著葉輪的轉(zhuǎn)速提高，產(chǎn)生固—液作用力不斷增大，將兩棲車輛托舉出水面，進(jìn)入滑行狀態(tài)，從而回避“阻力墻”現(xiàn)象，基本原理如圖5所示。

圖4 蛇怪蜥蜴踏水基本原理Fig.4 Basictheory analysis of basilisk lizard treading water

圖5 輪—葉復(fù)合式減阻裝置基本原理圖Fig.5 Basic theory of the wheel-blade compound reducing resistance equipment

3 減阻技術(shù)分析

3.1 仿真分析

為驗(yàn)證設(shè)想裝置的作用效果，課題組人員應(yīng)用流體仿真軟件Fluent中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，VOF模型及UDF函數(shù)對新型輪—葉復(fù)合式減阻裝置水動(dòng)力性能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，首先從理論上驗(yàn)證減阻技術(shù)的可行性。

（1）應(yīng)用Pro/E軟件建立減阻裝置三維造型，其主要參數(shù)：旋轉(zhuǎn)軸（圖6中1）直徑8 cm；連接桿（圖6中2）長 20 cm；葉片（圖6中 3）長 20 cm，葉片數(shù)共 4個(gè)；連接桿與葉片的夾角（圖6中4）為120°。采用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。

圖6 輪—葉復(fù)合式減阻裝置三維造型和網(wǎng)格劃分Fig.6 Three dimension sculpt and gridding partition of the wheel-blade compound reducing resistance equipment

（2）本文將輪—葉復(fù)合式減阻裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)視為二維不可壓非定常流動(dòng)，仿生葉輪軸向取單位長度處理，采用時(shí)均形式的連續(xù)方程，Reynolds時(shí)均Navier-Stokes方程和標(biāo)量φ的時(shí)均輸運(yùn)方程，描述為：

其中，非定常湍流計(jì)算采用RNG κ-ε湍流模型[9]，該模型能很好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。在初始化過程中將上半部分設(shè)為空氣，下半部分為水。

設(shè)葉輪旋轉(zhuǎn)軸中心與水平面距離為浸水深度h，連接桿與葉片夾角為θ。分析在不同浸水深度h、夾角θ和轉(zhuǎn)速ω下，輪-葉復(fù)合式減阻裝置的水動(dòng)力性能。

（3）首先設(shè)輪—葉復(fù)合式減阻裝置浸水深度h分別為-0.20 m、0 m和0.2 m（處于水—?dú)鈨上嘟橘|(zhì)中），夾角θ=120°，ω=5 rad/s時(shí)，仿真分析減阻裝置此時(shí)的水動(dòng)力性能，如圖7、圖8所示。

圖7 不同浸水深度產(chǎn)生的托舉力Fig.7 Lift force when in different deepness in water

圖8 不同浸水深度產(chǎn)生的推進(jìn)力Fig.8 Propulsive force when in different deepness in water

從圖7、圖8分析得出，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，h=0 m時(shí)產(chǎn)生的平均推進(jìn)力和托舉力均最大，h=-0.2 m、h=0.2 m時(shí)相對較小。

圖9為0.65 s時(shí)刻仿生葉輪進(jìn)水深度h=0.2 m時(shí)的體積分?jǐn)?shù)分布圖，顯示此時(shí)仿生葉輪水中狀態(tài)；圖10為該時(shí)刻各仿生葉片的壓力云圖，兩側(cè)壓力差對葉片面積的積分即為單個(gè)葉片受力大小，進(jìn)而可求整個(gè)仿生葉輪所受到的托舉力和牽引力。

圖9 h=0.2 m時(shí)的體積分?jǐn)?shù)分布圖Fig.9 Volume fraction distributing when h is 0.2 m

圖10 h=0.2 m時(shí)的壓力云圖Fig.10 Stress nephogram when when h is 0.2 m

圖11 不同夾角減阻裝置產(chǎn)生的托舉力Fig.11 Lift force when in different angle

圖12 不同夾角減阻裝置產(chǎn)生的推進(jìn)力Fig.12 Propulsive force when in different angle

（4）設(shè)仿生葉輪浸水深度 h=0 m，ω=5 rad/s，夾角條件 θ為 105°、120°和 135°時(shí)，仿真分析減阻裝置的水動(dòng)力性能，如圖11、圖12所示。從圖 11、 圖 12分析得出，θ=135°時(shí)仿生葉輪產(chǎn)生的平均推進(jìn)力最大，θ=120°、105°依次減小；θ=105°時(shí)產(chǎn)生的平均托舉力最大，θ=120°、135°時(shí)依次減??；當(dāng)θ增加時(shí)，推進(jìn)力增大，托舉力相應(yīng)減小。

圖13 不同轉(zhuǎn)速時(shí)減阻裝置產(chǎn)生的托舉力Fig.13 Lift force when in different rotated speed

圖14 不同轉(zhuǎn)速時(shí)減阻裝置產(chǎn)生的推進(jìn)力Fig.14 Propulsive force when in different rotated speed

（5）設(shè)輪—葉復(fù)合式減阻裝置浸水深度為h=-0.4 m（完全處于水下），θ=120°，ω分別為5 rad/s、10 rad/s和20 rad/s時(shí)，仿真分析此狀態(tài)下的水動(dòng)力性能，如圖13、圖14所示。

從圖13和圖14可以看出在不同轉(zhuǎn)速ω下，減阻裝置產(chǎn)生的托舉力和推進(jìn)力是不同的。隨著轉(zhuǎn)速ω的增大，產(chǎn)生的托舉力和推進(jìn)力呈增大的趨勢，如轉(zhuǎn)速ω=20 rad/s時(shí)產(chǎn)生的托舉力和推進(jìn)力明顯大于ω=5 rad/s時(shí)產(chǎn)生的作用力。但隨著轉(zhuǎn)速ω的增大，力的周期變小，且震蕩性加強(qiáng)。

（6）動(dòng)態(tài)仿真分析

在以上靜態(tài)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿生葉輪自由運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真分析。設(shè)定仿生葉輪尺寸縮小至原尺寸的1/4，質(zhì)量為2 kg，設(shè)轉(zhuǎn)速ω分別為5 rad/s、10 rad/s和20 rad/s時(shí)，仿真分析此狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)性能，此時(shí)的水氣兩相圖體積分布圖如圖15所示。

圖15 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的體積分?jǐn)?shù)分布圖Fig.15 Volume fraction distributing when indifferent rotated speed

由上圖可看出，在其他參數(shù)恒定情況下，轉(zhuǎn)速ω對仿生葉輪的托舉力產(chǎn)生有很大的影響。當(dāng)ω=5 rad/s時(shí)仿生葉輪會(huì)沉入水中，ω=10 rad/s和ω=20 rad/s仿生葉輪能夠保持浮在水面，且ω=20 rad/s時(shí)產(chǎn)生的托舉力更大，使得仿生葉輪中心被托舉得更高。由此可見，轉(zhuǎn)速ω是仿生葉輪水動(dòng)力性能的關(guān)鍵因素，在本動(dòng)態(tài)仿真設(shè)定參數(shù)下的仿生葉輪，確保其浮在水面上其臨界轉(zhuǎn)速范圍在5-10 rad/s之間。

（7）仿真結(jié)果分析

①設(shè)想的輪—葉復(fù)合式減阻裝置能夠產(chǎn)生向上的托舉力和向前的推進(jìn)力；

②減阻裝置在不同浸水深度h和夾角θ時(shí)產(chǎn)生的推進(jìn)力和托舉力不同，其中θ增大時(shí)，托舉力減小，推進(jìn)力增大；

③轉(zhuǎn)速ω是十分重要的物理參量，隨著轉(zhuǎn)速ω增大，產(chǎn)生的托舉力不斷增大，且周期縮短。

3.2 試驗(yàn)論證

在仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了輪—葉復(fù)合式減阻裝置原理試驗(yàn)，試驗(yàn)效果良好。

圖16 帶箱體減阻原理試驗(yàn)Fig.16 Theory test of the reducing resistance with trunk

試驗(yàn)一：課題組研究設(shè)計(jì)了仿生葉輪機(jī)構(gòu)，采用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單組仿生葉輪機(jī)構(gòu)，電機(jī)功率為0.25 kW，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，箱體內(nèi)包括2塊充電電瓶，電機(jī)和傳動(dòng)裝置總質(zhì)量30 kg。開始時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)沉入水中，如圖16（a）所示；通電后，葉輪拍打水面，箱體被托起一定角度，如圖16（b）所示。經(jīng)浮力實(shí)驗(yàn)測試，在水中將箱體一端提升到相同角度需要150 N的作用力，即采用額定功率為0.25 kW的電機(jī)產(chǎn)生了150 N的托舉力。

實(shí)驗(yàn)二：課題組用四個(gè)電機(jī)制作了無排水浮箱的雙組仿生葉輪機(jī)構(gòu)，每個(gè)電機(jī)額定功率為0.25 kW，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，總質(zhì)量約25 kg。未加電時(shí)，由于重力大于浮力，葉輪及電機(jī)沉入水中如圖17（a）所示；剛開始啟動(dòng)瞬間，產(chǎn)生瞬態(tài)氣腔，與蛇怪蜥蜴踏水吻合，如圖17（b）中箭頭所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 r/s時(shí)，因轉(zhuǎn)速較低，仿生葉輪機(jī)構(gòu)未能完全托起，如圖17（c）所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至5 r/s，因葉輪轉(zhuǎn)速提高產(chǎn)生更大的托舉力，整個(gè)機(jī)構(gòu)被完全托出水面，仿生葉輪幾乎與水面相切，提升效果良好，如圖 17（d）所示。

圖17 不帶箱體減阻原理試驗(yàn)Fig.17 Theory test of the reducing resistance without trunk

試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速ω是影響仿生葉輪水動(dòng)力性能的非常重要因素，轉(zhuǎn)速ω越大產(chǎn)生的固液作用力也就越大；在較小輸出功率下，依靠仿生葉輪與水的高速作用產(chǎn)生的托舉力，可把較大重量的車體托出水面，進(jìn)入滑行狀態(tài)，從而避開“阻力墻”現(xiàn)象，達(dá)到減小水阻力的目的。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于蛇怪蜥蜴踏水機(jī)理的兩棲車輛減阻技術(shù)，分析了仿生葉輪在不同入水深度h、夾角θ和轉(zhuǎn)速ω等參數(shù)下的水動(dòng)力性能，并著重討論了ω轉(zhuǎn)速對仿生葉輪水動(dòng)力性能的重要影響。通過理論分析和原理試驗(yàn)論證，本文提出的減阻技術(shù)在主要原理上是可行的，能夠在不具備超大功率車載發(fā)動(dòng)機(jī)和滑板技術(shù)的情況下改變車體航態(tài)，從而巧妙地避開兩棲車輛遇到的“阻力墻”現(xiàn)象，達(dá)到了減阻、增速的效果。

在后面的研究中，我們將進(jìn)一步優(yōu)化仿生葉輪的葉片形狀、尺寸、材質(zhì)等，使得仿生葉輪最大程度地模擬蛇怪蜥蜴的踏水原理，實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力性能和機(jī)械傳動(dòng)性能最優(yōu)。

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