基于科恩達效應(yīng)的水下無槳葉推進器的實驗與研究

裴雷 沈宇 譚玉箭

摘 要：基于科恩達效應(yīng)的水下無槳推進器的研究在水下機器人和船舶領(lǐng)域是一種全新的技術(shù)，在能夠很好地提高推進器推進能量轉(zhuǎn)化效率的基礎(chǔ)上，為同類水下推進器中的首創(chuàng)。本文以克服傳統(tǒng)螺旋槳推進器噪音大，效率不高，產(chǎn)生空泡，易被纏繞等缺點為目的，利用科恩達效應(yīng)，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、容易控制的水下無槳推進器方案，通過建立運動坐標(biāo)系，利用solidworks軟件建立三維模型進行分析，仿真模擬，結(jié)合ANSYS、FLUENT流體分析等技術(shù)進行研究分析。

關(guān)鍵詞：水下機器人；科恩達效應(yīng)；無槳推進；建模分析；仿真分析；樣機實驗

1 水下機器人的背景：

水下推進器種類繁多，按照原理不同，有普通螺旋槳，導(dǎo)管螺旋槳。普通的螺旋槳可分為定距螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳和對轉(zhuǎn)螺旋槳。定距螺旋槳：即固定螺距的螺旋槳。其結(jié)構(gòu)簡單，耐用，維護簡單，但其螺距不可的變，只有在某特定轉(zhuǎn)速時，效率最高?？烧{(diào)螺距螺旋槳：即螺距可調(diào)節(jié)的螺旋槳。其能根據(jù)航速而改變，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，維護不變。對轉(zhuǎn)螺旋槳：即在同一轉(zhuǎn)軸上安裝前后兩只轉(zhuǎn)向相反的螺旋槳。其能提高推進效率，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料受限。導(dǎo)管螺旋槳：通過在普通螺旋槳外緣加裝一機翼型截面的圓形導(dǎo)管而成。導(dǎo)管可提高螺旋槳的推進效率，但導(dǎo)管與船體之間要做固體連接，導(dǎo)管內(nèi)壁和螺旋槳葉梢間隙很小，水草雜物易進入。此外，螺旋槳推進器不僅運行噪音大、能量轉(zhuǎn)換效率低，還造成了很多負面影響，如卷入水生物等，容易傷人及水中生物，嚴重破環(huán)了水下環(huán)境，且螺旋槳推進器被水草等水生物纏繞后停止運行，其動力裝置的維修和替換也給相關(guān)企業(yè)帶來了高昂的成本支出，降低了企業(yè)利潤。除此之外，目前多數(shù)水下機器人均附有纜繩，而纜繩極易纏繞，且水下無法實現(xiàn)電磁波通信和遠距離作業(yè)。

隨著水下推進器的發(fā)展也出現(xiàn)了噴水推進器、噴氣推進器。噴水推進器是利用噴出的水反作用力來產(chǎn)生推力的推進器。噴水推進器由水泵、吸水管道、噴水管道組成，其機械部分裝于船內(nèi)，得到良好保護。但噴管因直徑受限、管路及水泵效率不高，整個系統(tǒng)效率低。噴氣推進器是一種利用由動力裝置產(chǎn)生的高壓氣流直接作用于水，從而提高船體效率的推進器。但因需要強大的氣流，需要大量的能量，最終能量轉(zhuǎn)換效率低。

針對以上行業(yè)發(fā)展缺陷，從長遠的角度出發(fā)，設(shè)計出一款利用科恩達效應(yīng)的水下無槳推進器，既能直接作為其動力裝置用于水下機器人的運行，也可直接使用在船舶上，使其航行的同時，避免傷害水生物以及自身，符合未來行業(yè)發(fā)展的潮流。用無槳推進器替代傳統(tǒng)螺旋槳推進器，具有大范圍活動、深度潛水、不怕電纜纏繞、可輕松進入復(fù)雜結(jié)構(gòu)中、占用甲板面積小等優(yōu)點。并提高水中推進操控性能和水環(huán)境交互性能，可用于軍用潛艇，魚雷；實現(xiàn)靜態(tài)觀測；結(jié)合圖像處理，智能決策等技術(shù)，完成水中目標(biāo)追蹤，水中救援等任務(wù)，可進行戶外水中探測或水中檢測，或進行擴展開發(fā)，完成路徑規(guī)劃，任務(wù)分配，姿態(tài)控制等任務(wù)的研究與試驗。

2 基本原理：

科恩達效應(yīng)已經(jīng)在航空航天中廣泛應(yīng)用，注意到科恩達效應(yīng)不僅僅對于氣流有實際作用，對于水流也同樣是有效的，所以由此出發(fā)利用科恩達效應(yīng)設(shè)計無槳推進器。

水下無槳推進器主要應(yīng)用了科恩達效應(yīng)，即：當(dāng)流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦?xí)r（也可以說是流體粘性），只要曲率不大，流體會順著物體表面流動。我們根據(jù)該效應(yīng)設(shè)計的無槳推進器的結(jié)構(gòu)圖如下，主要由進水口、增壓裝置、內(nèi)部管道、環(huán)形出水口四部分組成。在水下無槳推進器的底座上，設(shè)有入水口，該入水口可以在一定時間內(nèi)使較多的水流入推進器的內(nèi)部涵道中。在靠近入水口附近的涵道里，設(shè)置一個壓縮裝置，該壓縮裝置采用渦輪結(jié)構(gòu)，可使用無刷或者直流電機作為渦輪的動力來源，該壓縮裝置使得大量水吸入推進器的內(nèi)部涵道中，并將水加速。最后，被增壓和加速的水流1通過無槳推進器環(huán)形出水口內(nèi)唇2環(huán)繞射出，射出后的水流3帶動環(huán)形出水口后方的水流4隨之進入推進器環(huán)形中空的部分（在此過程中具有科恩達效應(yīng)），并以高速度向外射出。以此獲得反作用力，實現(xiàn)推力。

無槳推進器出水口示意圖

3市場應(yīng)用：

利用科恩達效應(yīng)的水下無槳推進器可應(yīng)用于軍用領(lǐng)域、民用領(lǐng)域等各個領(lǐng)域具有不會產(chǎn)生空泡效應(yīng)、噪音小，占用甲板面積小、不需要龐大的水面支持，可大范圍活動、水下深潛、輕松進入復(fù)雜結(jié)構(gòu)等多種優(yōu)勢。

參考文獻

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作者簡介：裴雷（1997-），男，漢族，鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院2016級學(xué)生