某新型無人帆船的結構設計及翼帆氣動性能分析

趙大剛 管殿柱 夏濤

摘要： ?為了滿足無人帆船在進行海洋調查時航時長、范圍大和壽命高的要求，本文設計了一款新型無人帆船。通過SolidWorks軟件建立無人帆船的三維模型，并采用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）對翼帆的氣動性能進行分析。在考慮帆船航行實際工作狀態(tài)的前提下，通過比較柔性帆、剛性帆和翼型對稱截面與非對稱截面的性能，確定了主帆為NACA 0021，尾翼為NACA 0018翼型的對稱剛性帆，以提高帆船的氣動性能。同時，采用與飛機升降舵類似結構的尾翼控制翼帆與來流的攻角，極大地降低了控帆的難度與功耗。為分析翼帆的氣動性能，選用SST kω模型在Fluent中進行模擬分析。研究結果表明，翼帆的升力系數(shù)較大，空氣流動平穩(wěn)，并未出現(xiàn)渦流區(qū)，同時，翼帆表面壓力呈現(xiàn)平滑的過渡現(xiàn)象，使氣流可以平穩(wěn)的從主帆表面分離，滿足設計要求。該研究對使用無人帆船探索海洋具有重要意義。

關鍵詞： ?無人帆船; 結構設計; 翼帆; 氣動性能

中圖分類號： U662.3; U664.31 ?文獻標識碼： A

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，煤炭、石油等不可再生能源的消耗在不斷增多，人們逐漸將能源的開采重心從陸地轉移到海洋[1]。由于世界各國越來越重視對海洋環(huán)境的監(jiān)測和海洋數(shù)據(jù)的采集，因此對海洋的探索和研究已成為目前自然科學的熱點之一。傳統(tǒng)的海洋探索觀測技術有人工出海考察、數(shù)據(jù)浮標和衛(wèi)星觀測等方法[2]，但上述觀測方法存在成本較高、機動性差和觀測時間短等局限性。以風能為動力的無人帆船具備在海上長時間自主運行的能力，可以用來調查海洋資源、監(jiān)測海洋環(huán)境和預警海洋災害[3]，這種方法具有成本低、續(xù)航時間長和數(shù)據(jù)可信度高等優(yōu)點。近年來，國內外學者對無人帆船進行研究，上海交通大學羅瀟等人[4]研發(fā)了基于嵌入式系統(tǒng)PC/104和嵌入式處理器（advanced RISC machines，ARM）的無人帆船控制系統(tǒng)，可將無人帆船各類傳感器采集的環(huán)境信息轉變?yōu)殡娦盘枺蔁o人帆船的運動控制指令;康夢萁等人[5]提出的速度最優(yōu)法要比A*算法更適合無人帆船的短途航行;法國海洋開發(fā)研究院[6]設計了一款以平衡軟帆為動力的無人帆船，獨立的平衡軟帆減少了繩索和滑輪對風帆的控制，有效降低了帆船航行時繩索打結發(fā)生的概率。上述無人帆船多以傳統(tǒng)柔性帆為動力系統(tǒng)，但柔性帆的氣動性能不佳，容易發(fā)生氣彈失穩(wěn)現(xiàn)象[7]，在實際航行狀態(tài)下，升力系數(shù)較低，在0.6～0.7之間[8]。此外，柔性帆具有復雜的空氣動力學性能，這使精確控制船帆轉變攻角較復雜。對上述傳統(tǒng)柔性帆存在的缺點，科研人員提出了將剛性帆代替?zhèn)鹘y(tǒng)柔性帆的解決方法?；诖?，本文主要對某新型無人帆船的結構設計及翼帆氣動性能進行分析。建立了無人帆船三維模型，并采用計算流體力學，分析翼帆的氣動性能。該研究對開發(fā)和利用小型無人帆船具有較大的應用價值。

1 無人帆船的結構設計

新型無人帆船包括船體、龍骨、船舵和翼帆等，翼帆由主帆、尾翼和尾翼執(zhí)行器組成。帆船龍骨的作用是防止船體橫向漂移和作為壓艙物[9]保證帆船的穩(wěn)定，防止發(fā)生傾覆;船舵實現(xiàn)了對帆船航向的控制;帆為動力原件，利用風能為帆船的航行提供動力;尾翼用來控制主帆的旋轉，尾翼執(zhí)行器是一個安裝在主帆橫桿上的電動推桿，可以控制尾翼的迎風角度。同時，在船體表面鋪設柔性太陽能板，為船中的儀器提供能量。新型無人帆船三維模型如圖1所示。

1.1 主帆設計過程

1） 柔性帆與剛性帆。

船帆采用剛性帆的主要原因：一是剛性帆比柔性帆具有更好的氣動性能及更高的效率，且剛性帆的最大升力系數(shù)可以達到1.6[10]，不會發(fā)生氣彈失穩(wěn)現(xiàn)象，也不會產生因拍打而發(fā)出噪音的情況;二是柔性帆具有復雜的空氣動力學性能，這使控制柔性帆改變攻角時比較困難[11]，而剛性帆具有不變的幾何外形，空氣動力學性能簡單，將桅桿設置在剛性帆的氣動壓力中心附近，可以輕松控制主帆的旋轉。

2） 對稱性。船帆翼型截面可以對稱，也可以不對稱，翼型截面對稱性如圖2所示。與對稱截面相比，非對稱截面可以獲得更高的升阻比和最大升力系數(shù)[12]，但對稱截面在相同角度的正攻角與負攻角下，翼型產生的升力相同。由于帆船需要具備在左舷風和右舷風均可航行的功能，因此，選擇對稱截面的船帆。

3） 翼型截面的確定。在無人帆船、水翼船和風力機設計中，設計師多采用美國國家航空咨詢委員會（national advisory committee for aeronautics，NACA）開發(fā)的一系列翼型[13]。通過測試NACA 00ZZ系列對稱翼型的氣動性能，最終選定NACA 0021翼型作為主帆的翼型截面。由于NACA 0021具有較厚的截面，使它在風速較低的情況下，依舊能產生較大的升力系數(shù)[14]，并且升阻比性能較好、失速攻角較大。尾翼部分與主帆部分的設計方法基本相同，區(qū)別在于設計尾翼參照的雷諾數(shù)較低。因此，尾翼的翼型截面選擇NACA 0018翼型，主帆和尾翼的翼型截面如圖3所示。

1.2 翼帆結構設計

1.2.1 飛機機翼與尾翼結構

飛機機翼的作用是為飛機的飛行提供升力，尾翼控制飛機的俯仰。在航行時，飛機可以通過控制尾翼升降舵的偏轉來控制水平尾翼升力的大小和方向。當水平尾翼上產生的升力對飛機重心的力矩與飛機其他部件對飛機重心的力矩平衡時，可以保證飛機的俯仰平衡[15]，使機翼與氣流的攻角保持不變。此款新型無人帆船的翼帆結構，借鑒了飛機中通過尾翼升降舵控制飛機機翼迎角的結構設計。

1.2.2 翼帆設計方案

翼帆由主帆、尾翼和尾翼執(zhí)行器組成，主帆為帆船的航行提供動力，尾翼控制主帆的旋轉，并且維持主帆攻角的穩(wěn)定。在設計初期，有如下兩種控制翼帆迎風攻角的設計方案：

1） 在主帆桅桿處安裝執(zhí)行器來控制主帆的旋轉，這具有快速啟動的優(yōu)點。但由于風向變化十分頻繁，需要執(zhí)行器頻繁驅動，消耗較多的能量。

2） 控制攻角的結構是使用尾翼（與上文提到的飛機尾翼升降舵控制機翼的俯仰為同一原理）對主帆進行控制，通過尾翼控制主帆旋轉如圖4所示。同時，因為尾翼安裝在主帆一側，使主帆的質心偏移，需在主帆另一側裝備配平塊對主帆進行質量平衡。

翼帆受力圖如圖5所示。由圖5可以看出，翼帆與來流VA成α攻角，在主帆上產生了氣動升力LW和氣動阻力DW[16]，其合力FA為帆船提供動力。同時，主帆還產生繞桅桿順時針旋轉的俯仰力矩MW，通過控制尾翼執(zhí)行器，使尾翼與來流VA成δ攻角，尾翼在空氣流場的作用下產生升力LF，升力LF繞桅桿產生的恢復力矩MF平衡主帆的俯仰力矩MW [17]，使翼帆整體所受力矩為零。使用尾翼調整主帆的迎風角，只需要一個小型的電動推桿控制尾翼即可，同時尾翼在風向或者航向發(fā)生變化時，可以快速修正主帆的迎風角，這種調整功能是一種被動穩(wěn)定的修正能力，有利于減小控制功耗。因此，選擇第2種方案作為翼帆的結構設計方案。

綜上所述，此款無人帆船主帆采用NACA 0021翼型，尾翼采用NACA 0018翼型，通過尾翼控制翼帆與來流的攻角。

1.3 無人帆船的航行

基于以上理論，在設計初期建造了一艘骨架為鋁合金的雙體試驗船，試驗船如圖6所示。試驗船船長3.5 m，船寬2 m，船高2.4 m。在航行測試中，試驗船航行平穩(wěn)，驗證了翼帆設計的可行性。但試驗船船速較低，翼帆相對較大，帆船整體質量較大，不易搬運。因此，對翼帆進行流體分析和優(yōu)化設計，使翼帆具有較優(yōu)的氣動性能，同時帆船采用更輕、更堅固的碳纖維材料建造。

2 翼帆氣動性能分析

2.1 有限元模型的建立

本文主要對翼帆的氣動性能進行分析，進而設計出更合理的翼帆形狀，為后續(xù)帆船推力優(yōu)化和路徑規(guī)劃創(chuàng)造條件。主帆翼展為2 000 mm，弦長為500 mm，尾翼的大小初步設置為主帆大小的10%[18]。

2.2 網(wǎng)格劃分

設置流體域的上下邊界為主帆15倍的弦長，左右邊界為主帆35倍的弦長[19]。為了提高計算精度與節(jié)省計算時間，對翼型區(qū)域網(wǎng)格進行加密處理[20]。網(wǎng)格劃分示意圖如圖7所示。

2.3 Fluent有限元分析

翼帆攻角α為0～14°，流場流速設置為8 m/s，選用SST kω模型[21]在Fluent中進行模擬，并對翼帆中主帆的錐度比、展弦比、尾翼距離主帆上下左右的位置進行參數(shù)化處理。通過優(yōu)化分析，最終確定翼帆的結構參數(shù)。其中，主帆的展弦比為5，在該展弦比下，主帆的氣動性能比較優(yōu)秀，同時不會因為過長的主帆而使彎曲應力過大;錐度比為0.45，錐形主帆有利于降低根部的彎曲載荷;尾翼的上下位置為主帆翼展高度的38%，左右位置為主帆翼展高度的一半，優(yōu)化后的翼帆模型如圖8所示。

將優(yōu)化后的模型導入Fluent軟件中進行分析，翼帆升力系數(shù)隨攻角變化曲線如圖9所示。由圖9可以看出，隨著攻角的變大，翼帆升力系數(shù)也在逐漸上升，在14°攻角時，升力系數(shù)達到1.37。

翼帆流場和翼帆表面壓力云圖如圖10所示。由圖10可以看出，翼帆空氣流動平穩(wěn)，并未出現(xiàn)渦流區(qū)，最大壓力出現(xiàn)在主帆前緣，同時，表面壓力呈平滑過渡現(xiàn)象，保證氣流可以平穩(wěn)的從主帆表面分離。

3 結束語

本文主要對某新型無人帆船的結構進行設計，并對翼帆氣動性能進行分析。通過對比柔性帆與剛性帆的氣動性能，得出剛性帆具有更好的氣動性能及更高的效率，在實際航行中，選擇對稱翼型的剛性帆更適合帆船的實際航行要求。同時，采用尾翼控制翼帆旋轉的控帆方式，可以降低控帆能量的消耗，通過對優(yōu)化后的翼帆進行CFD分析，可以看出剛性帆的升力系數(shù)比傳統(tǒng)柔性帆的升力系數(shù)大，且氣流流動平穩(wěn)，具有較好的氣動性能，對后續(xù)帆船推力優(yōu)化及路徑規(guī)劃具有一定的促進作用，同時推動了無人帆船在海洋探索方面的應用。但采用剛性帆使翼帆的重量增加，后續(xù)需要在保證翼帆氣動性能的前提下，對翼帆內部結構進行輕量化設計。

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