振動(dòng)翼推進(jìn)器在波浪中的水動(dòng)力性能分析

林豐　王冬姣

摘 要：將一組水翼安裝在水面無人艇底部一定深度處，在波浪作用下，水翼將跟隨艇體作垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生推力，使無人艇實(shí)現(xiàn)低速自主航行。本文利用FLUENT軟件分析二維搖蕩水翼在波浪中的推進(jìn)性能。

關(guān)鍵詞：水翼；推力性能；無人艇

中圖分類號： U661.34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： A group of hydrofoils were installed on the bottom of an unmanned surface vessel at a certain depth. Under the action of water waves， they will follow the hull of vessel to perform heaving and pitching motions and then generate thrust， which enable the unmanned surface vessel to autonomous navigates at low speed. In this paper， the FLUENT software was used to analyze the propulsion performance of 2-D oscillating hydrofoils in waves.

Key Words： Hydrofoil； thrust performance； unmanned surface vessel

1 前言

自1895年意大利的Hermann Linden首次在船首和船尾安裝了水翼，使船完全利用波能前進(jìn)以來，人類便未曾停止過對水翼船研究的步伐。2004年，澳大利亞科學(xué)家發(fā)明了雙翼滑翔快艇，駕駛者可同時(shí)操縱飛翼和水翼，雙翼滑翔快艇既能在水面滑行，又可以脫離水面實(shí)現(xiàn)低空滑翔，可節(jié)省燃料[1]達(dá)30%～50%。而在數(shù)值模擬方面，李彥麗[2]等采用基于速度勢的面元法對非定常拍動(dòng)翼在特定運(yùn)動(dòng)規(guī)律下產(chǎn)生的水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，并與FLUENT軟件計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行比較，兩者變化趨勢一致，誤差只有11%；而陳慶任[3]同樣采用面元法，將Rankine源和偶極子置于邊界面上，對三維水翼進(jìn)行勢流數(shù)值分析，提出了在小攻角情況下水翼優(yōu)化的面元方法；王志東[4]利用有限體積方法和RNG k-湍流模型直接求解計(jì)算NACA0012水翼的水動(dòng)力特性，并得出不同浸深、攻角的升力系數(shù)、阻力系數(shù)等曲線。

本文主要利用FLUENT軟件研究安裝在波能推進(jìn)無人艇下的水翼在波浪中的水動(dòng)力性能，分析了主動(dòng)控制縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)相位差對單水翼推進(jìn)性能的影響以及在無人艇首部設(shè)置一個(gè)固定水翼及首尾部各設(shè)置一個(gè)固定水翼時(shí)的推進(jìn)性能。

2 理論基礎(chǔ)

將水翼安裝在無人艇上，水翼和艇體之間存在相互作用，且比較復(fù)雜。作為第一階段的研究，本文忽略艇體和水翼之間的相互影響，研究二維水翼在波浪中作搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力性能。

2.1 單水翼

3 數(shù)值模型的建立

如圖1所示，在FLUENT計(jì)算模型中，水翼表面和上下邊界均采用不可穿透固壁邊界條件，左邊界為速度入口，右邊界為壓力出口。在二維坐標(biāo)系中，x軸為水平方向，由速度入口指向壓力出口，y軸為豎直方向，由下邊界指向上邊界。設(shè)置水翼周圍的橢圓形區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)區(qū)域，外圓區(qū)域的網(wǎng)格會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)而變化。

水翼轉(zhuǎn)動(dòng)中心在弦上距導(dǎo)邊0.3倍弦長處，采用壓力基求解器進(jìn)行瞬態(tài)分析；選取SST k-omega湍流模型與VOF模型；采用動(dòng)網(wǎng)格功能中的光順與重構(gòu)方法：彈性常數(shù)設(shè)為0.3，節(jié)點(diǎn)松弛因子設(shè)為0.7，收斂容差設(shè)為0.001；最小網(wǎng)格尺寸和最大網(wǎng)格尺寸均為0，最大網(wǎng)格畸變設(shè)為0.65。

4 結(jié)果分析

取波能推進(jìn)艇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械腘ACA0018型水翼，弦長c=0.15 m、水深H=0.695 m、航速U=0.1 m/s、水翼浸深d=0.3 m、波幅A=0.05 m。

4.1 網(wǎng)格數(shù)影響

取波浪周期T=1.5 s、迎浪、水翼垂蕩幅值h0=0.06 m、縱搖幅值=4o、=0o、=90o。取三種計(jì)算網(wǎng)格：GRID-1網(wǎng)格數(shù)為111 182，GRID-2網(wǎng)格數(shù)為183 971，GRID-3網(wǎng)格數(shù)為311 943，得到的水翼水平力Fx時(shí)歷曲線如圖2所示。三種網(wǎng)格對應(yīng)的水平力平均值分別為-0.79 N/m、-0.69 N/m和-0.67 N/m。GRID-2和GRID-3的計(jì)算結(jié)果基本相同。

4.2 對主動(dòng)控制單水翼推進(jìn)性能的影響

將水翼設(shè)置在艇重心位置浸深0.3 m處，水翼的垂蕩幅值與艇重心位置的垂蕩幅值相等。假設(shè)水翼的縱搖幅值與艇體相同，但水翼縱搖運(yùn)動(dòng)與垂蕩運(yùn)動(dòng)相位差可進(jìn)行主動(dòng)控制。

當(dāng)波幅A=0.05 m、周期1.3 s時(shí)，垂蕩幅值h0=0.014 m、縱搖幅值=3.6o。取=0o，對水翼縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)相位差從-180o～180o之間取間隔30o計(jì)算，得到平均推力系數(shù)Cx如圖3所示；周期T=2 s、=3.3o、h0=0.035 m、=0o時(shí)，對平均推力系數(shù)的影響如圖4所示。

由圖3和圖4可知，當(dāng)水翼垂蕩運(yùn)動(dòng)與波面位移同相位（=0o）時(shí)，短周期波（T=1.3 s）作用下艇的垂蕩幅值較小，不同j值對應(yīng)的平均推力系數(shù)也偏小。

將水翼設(shè)置在艇首尾部一定深度處，則可增加水翼的垂蕩幅值。周期T=1.5 s時(shí)艇體縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大，A=0.05 m時(shí)縱搖幅值達(dá)4o，艇體重心處的垂蕩幅值為0.023 m；若將水翼設(shè)置在船首離重心0.81 m、浸深為0.3 m處，則水翼的垂蕩幅值增至h0=0.06 m，說明在艇體縱搖較大時(shí)，水翼垂蕩幅值大幅提高。取h0=0.06 m、=4o、=0o，不同值得到的平均推力系數(shù)如圖5所示。由圖5可知，將水翼設(shè)置在離重心較遠(yuǎn)的首部，且艇體縱搖幅值較大時(shí)，水翼的平均推力系數(shù)可大幅提高。endprint

從圖3至圖5可以看出，隨著水翼縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)相位差的增大，平均推力系數(shù)Cx會(huì)呈周期性規(guī)律變化；在=180o時(shí)的Cx的數(shù)值與=-180o時(shí)的Cx數(shù)值的大小重合。

4.3 固定水翼

在無人艇上安裝固定水翼時(shí)，水翼縱搖幅值和遭遇頻率與艇體相同，在航速為0.1 m/s、T=1.5 s、A=0.05 m時(shí)、=4o。

（1）首水翼

在艇首部離艇重心前0.81m處設(shè)置一水翼，其垂蕩幅值為h01=0.06 m，水翼垂蕩運(yùn)動(dòng)與艇體重心位置波面位移相位差1=64.68o，水翼縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)相位差1=22.35o。經(jīng)計(jì)算，水翼的平均推力系數(shù)Cx1 =1.77。

（2）首尾雙水翼

除了在無人艇首部設(shè)置水翼外，在尾部也設(shè)置一個(gè)同樣大小的水翼。尾水翼位于無人艇重心后0.71 m處，水翼的垂蕩幅值為h02=0.05 m、2=-67.41o、2=154.44o。圖6為首尾水翼的水平力及兩水翼水平力總和的時(shí)歷曲線圖。由圖6可以看出，首、尾水翼的水平力曲線均有兩個(gè)谷值，且其平均值均為負(fù)值，即產(chǎn)生推力。首水翼平均推力系數(shù)Cx1=2.68，尾水翼平均推力系數(shù)Cx2=0.74，總平均推力系數(shù)Cx=3.42。

圖7為加裝尾水翼后，首水翼的水平力時(shí)歷曲線與單個(gè)首水翼的比較，此時(shí)Cx1>Cx1 ，說明加裝尾水翼對首水翼附近的流場有影響。

圖8、圖9分別為首尾水翼垂蕩位移及其所在位置波面位移的時(shí)歷曲線。從圖8圖9可以看出，首水翼的垂蕩運(yùn)動(dòng)稍滯后于其轉(zhuǎn)軸位置波面位移，而尾水翼的垂蕩運(yùn)動(dòng)稍領(lǐng)先于其轉(zhuǎn)軸位置波面位移運(yùn)動(dòng)。由于尾水翼離重心距離相對較近，其轉(zhuǎn)軸處的垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值小于首水翼，首水翼相對于波面的垂向運(yùn)動(dòng)大于尾水翼，導(dǎo)致Cx1>Cx2，即首水翼在推進(jìn)方面發(fā)揮了更大的作用。

5 結(jié)論

利用Fluent軟件，模擬計(jì)算了設(shè)置在無人艇上的水翼在波浪中作搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的推進(jìn)性能。垂蕩運(yùn)動(dòng)由艇體縱搖運(yùn)動(dòng)、垂蕩運(yùn)動(dòng)和水翼安裝位置共同決定。對固定水翼，其縱搖運(yùn)動(dòng)與艇體縱搖運(yùn)動(dòng)同步，為了得到較大的推力，可對水翼的縱搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，水翼縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)間的相位差變化對水翼推力性能產(chǎn)生顯著影響，且具有一定規(guī)律性。通過主動(dòng)控制水翼的縱搖運(yùn)動(dòng)相位差，可以得到較大的推力。對于固定水翼，由于無法控制縱搖運(yùn)動(dòng)的相位差，不能得到最佳的推進(jìn)性能。而水翼垂蕩運(yùn)動(dòng)與其轉(zhuǎn)軸處波面位移之相位差對推力性能也產(chǎn)生顯著的影響。

參考文獻(xiàn)

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