基于蛇怪蜥蜴踏水機(jī)理的水面推進(jìn)技術(shù)研究

白向華，呂建剛，高 飛，趙志寧

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003；2.總參炮兵訓(xùn)練基地，河北 宣化 075100）

0 引 言

目前，世界現(xiàn)役兩棲車輛水上推進(jìn)速度一般低于15km／h，主要原因?yàn)楝F(xiàn)役兩棲車輛均為排水型，排水型車輛航速接近15km／h時(shí)，會(huì)出現(xiàn)“阻力墻”現(xiàn)象，導(dǎo)致水阻力急劇增大，如圖1所示［1］。即使大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，水上推進(jìn)速度也很難進(jìn)一步提升［1-2］。因此，如何減小水面阻力是提高兩棲車輛航速的重要途徑。

國(guó)內(nèi)有關(guān)減阻文獻(xiàn)［3-7］主要從改變兩棲車輛形狀，如添加前后防浪板、車輪懸掛、改變車首角度等方式減少航行阻力，但車輛整體上還處于排水狀態(tài)，“阻力墻”現(xiàn)象仍舊無(wú)法克服。

美軍新一代EFV 遠(yuǎn)征戰(zhàn)車水上最大航速達(dá)到46.6km／h，是傳統(tǒng)兩棲車輛航速的3 倍多［8］。究其原因?yàn)椋篍FV 遠(yuǎn)征戰(zhàn)車水上行駛時(shí)將會(huì)變成一個(gè)大型沖浪滑板，加上超大功率的噴水推進(jìn)器，使車體完全進(jìn)入滑行航態(tài)，從而越過“阻力墻”，大大減小水阻力，實(shí)現(xiàn)高速航行，如圖2［1］。

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

由此可見，改變兩棲車體水中航態(tài)，使其由排水狀態(tài)經(jīng)過渡狀態(tài)、最終進(jìn)入高速滑行狀態(tài)（如圖1所示），是解決目前兩棲車輛因" 阻力墻" 而航速過低的有效方法。

圖2 EFV 流體阻力-速度曲線Fig.2 Liquid resistance-velocity curves of EFV

1 推進(jìn)技術(shù)研究

1.1 滑行航態(tài)分析

根據(jù)航行原理，水面航行船（車）體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)劃分主要取決升力相對(duì)于排水量的大小。當(dāng)車輛航速的體積弗勞德數(shù)Fr＞3.0時(shí)稱為滑行狀態(tài)，在這種狀態(tài)下航行時(shí)，車體幾乎離開水面，浮力很小，其重量的90%與流體動(dòng)力作用相平衡［9］。滿足近似式

式中：m為車體質(zhì)量，Rg為流體動(dòng)力產(chǎn)生的升力。

此狀態(tài)下，車體被高速航行產(chǎn)生的水動(dòng)力托出水面，水阻力保持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1所示。除非具有專門的車體外形（如EFV 滑板型車底，圖3 所示）和超大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)水上高速滑行狀態(tài)（圖4所示）；否則，對(duì)于傳統(tǒng)排水型車輛（圖5所示）很難實(shí)現(xiàn)這種水上高速滑行狀態(tài)。

1.2 仿生分析

圖3 EFV 滑板型車底Fig.3 Smooth-board shape of EFV bottom

圖4 EFV 托出水面高速滑行狀態(tài)Fig.4 High speed sliding status above water of EFV

圖5 傳統(tǒng)排水型兩棲車輛水中航行狀態(tài)Fig.5 Sailing status in water of traditional drainage amphibious vehicle

現(xiàn)代仿生技術(shù)為突破傳統(tǒng)排水型車輛的“阻力墻”現(xiàn)象帶來靈感和希望。美洲熱帶雨林生活的蛇怪蜥蜴［10-11］是一種能夠在水面高速奔跑的動(dòng)物，身體密度大于水，經(jīng)過上億年的進(jìn)化，其能夠依靠?jī)蓚€(gè)腳掌高頻率地踩踏水面，實(shí)現(xiàn)在水面上的高速奔跑，如圖6所示。它利用兩個(gè)腳掌面積以合適的角度、高頻率踩踏水面，產(chǎn)生向前的奔跑力和向上的托舉力，使得蛇怪蜥蜴在水面奔跑如履平地。

圖6 蛇怪蜥蜴高速踏水奔跑過程Fig.6 Course of basilisk lizard treading water at high speed

此向上托舉力的產(chǎn)生機(jī)理與艦船、兩棲車輛阿基米德排水浮力原理有本質(zhì)的不同，它揭示了這樣的一個(gè)重要原理：在高速條件下，固體和液體的相互作用實(shí)質(zhì)上與固體和固體的相互作用相同，會(huì)產(chǎn)生極大的作用力。我們可利用這一機(jī)理進(jìn)行兩棲車輛航態(tài)改變技術(shù)研究。

1.3 推進(jìn)原理分析

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，提出了一種新型兩棲車輛推進(jìn)技術(shù)。

基于此技術(shù)設(shè)計(jì)了一種輪-葉復(fù)合式推進(jìn)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，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提高，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)，從而避開“阻力墻”達(dá)到減小水阻力的目的，基本原理如圖7所示。

圖7 輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置基本原理圖Fig.7 Basic principle diagram of the wheel-blade compound propulsive equipment

1.4 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(duì)新型輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置水動(dòng)力性能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，先從理論上驗(yàn)證減阻推進(jìn)技術(shù)的可行性。

（1）應(yīng)用Pro／E軟件建立推進(jìn)裝置三維造型，采用GAMBIT 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖8所示。

圖8 輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置三維造型和網(wǎng)格劃分Fig.8 Three dimensional sculpt and gridding partition of the wheel-blade compound propulsive equipment

（2）將輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)視為二維不可壓非定常流動(dòng)，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：

式中：ui，uj為速度分量時(shí)均值（i，j=1，2）；p為壓力時(shí)均值；ρ為流體密度；μ為流體粘性系數(shù)；為雷諾應(yīng)力項(xiàng)；φ為通用變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

其中，非定常湍流計(jì)算采用RNGκ-ε湍流模型［12］，該模型很好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。利用UDF 定義輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置角速度ω=5rad／s；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或夾角θ下，輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置的水動(dòng)力性能。

（3）首先設(shè)輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置浸水深度為h=-0.4m（完全處于水下），θ=120°，仿真分析此狀態(tài)下的水動(dòng)力性能，如圖9～11所示。

圖9 下潛狀態(tài)產(chǎn)生的托舉力和推進(jìn)力Fig.9 Propulsive force and lift force when submerging

圖10 下潛時(shí)的體積分?jǐn)?shù)分布圖Fig.10 Volume fraction distribution when submerging

圖11 下潛時(shí)的壓力云圖Fig.11 Pressure nephogram when submerging

如圖9中所示，選取0～1.65s內(nèi)1650個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，仿真得出各時(shí)間節(jié)點(diǎn)輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置的力學(xué)特性，其中上半部分為托舉力，下半部分為推進(jìn)力。可以看出，推進(jìn)裝置在完全置于水下（圖10顯示此時(shí)葉輪的水中狀態(tài)）旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生近似正弦或余弦的向上托舉力和向前的推進(jìn)力，兩者呈周期性波動(dòng)。其中托舉力最大值為513.29N，推進(jìn)力最大值達(dá)到451.65N，并且托舉力和推進(jìn)力大部分處于正值范圍內(nèi)，由此可見通過仿生葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)車體從水下托出水面，進(jìn)入滑行狀態(tài)。圖11為0.75s時(shí)刻各仿生葉片的壓力云圖。兩側(cè)壓力差對(duì)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。

（4）仿生葉輪浸水深度h分別為-0.20m、0m、0.2m（處于水-氣兩相介質(zhì)中），夾角θ=120°時(shí)，仿真分析推進(jìn)裝置的水動(dòng)力性能，如圖12和13所示。

圖12 不同浸水深度產(chǎn)生的托舉力Fig.12 Lift force at different deepness in water

圖13 不同浸水深度產(chǎn)生的推進(jìn)力Fig.13 Propulsive force at different deepness in water

從圖14和15分析得出，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，h=0m 時(shí)產(chǎn)生的平均推進(jìn)力和托舉力均最大，h=-0.2m、0.2m 時(shí)相對(duì)較小，其中牽引力在h=0.2m 時(shí)最小。這是由于此狀態(tài)下仿生葉輪拍打的水體積較少，故作用力較小，與實(shí)際相符。

（5）設(shè)仿生葉輪浸水深度h=0，夾角條件θ為105°、120°和135°時(shí)，仿真分析推進(jìn)裝置的水動(dòng)力性能，如圖14和15所示。

從圖11和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)依次減小。可得到當(dāng)θ增加時(shí)，推進(jìn)力增大，托舉力相應(yīng)減小。

圖14 不同夾角推進(jìn)裝置產(chǎn)生的托舉力Fig14 Lift force at different angles

圖15 不同夾角推進(jìn)裝置產(chǎn)生的推進(jìn)力Fig15 Propulsive force at different angles

（6）仿真結(jié)果分析：①設(shè)想的輪-葉復(fù)合式推進(jìn)裝置能夠產(chǎn)生向上的托舉力和向前的推進(jìn)力；②推進(jìn)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隨著ω增大，產(chǎn)生的托舉力不斷增大，定能將兩棲車輛托出水面，進(jìn)入滑行狀態(tài)，從而減小水阻力。 由此可見，基于蛇怪蜥蜴踏水機(jī)理設(shè)計(jì)的新型輪-葉復(fù)合式兩棲車輛水上推進(jìn)裝置在理論上是可行的。

1.5 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)合式推進(jìn)裝置原理試驗(yàn)，試驗(yàn)效果良好。

試驗(yàn)一：課題組研究設(shè)計(jì)了仿生葉輪機(jī)構(gòu)，采用兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單組仿生葉輪機(jī)構(gòu)，電機(jī)功率為0.25kW，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30kg。開始時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)沉入水中；通電后，葉輪拍打水面，箱體被托起一定角度，如圖16（a）所示。經(jīng)浮力實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在水中將箱體一端提升到相同角度需要150N 的作用力，即采用額定功率為0.25kW 的電機(jī)產(chǎn)生了150N 的托舉力。

實(shí)驗(yàn)二：課題組用4臺(tái)電機(jī)制作了無(wú)排水浮箱的雙組仿生葉輪機(jī)構(gòu)，每臺(tái)電機(jī)額定功率為0.25kW，總質(zhì)量約25kg。未加電時(shí)，由于重力大于浮力，葉輪及電機(jī)沉入水中；加電后，因葉輪轉(zhuǎn)速提高而托起整個(gè)機(jī)構(gòu)，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16（b）所示。

圖16 推進(jìn)原理試驗(yàn)Fig.16 Principle tests of the propulsion

先期試驗(yàn)效果表明，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)，從而減小水阻力。據(jù)此原理，若采用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生的托舉力足以將渡海車輛托舉出水面，進(jìn)入滑行狀態(tài)。因此，所設(shè)想的輪-葉復(fù)合式兩棲車輛水上推進(jìn)技術(shù)，在原理上具有可行性。

在以后的研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化仿生葉輪的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、材質(zhì)等，使得仿生葉輪的水動(dòng)力性能和機(jī)械傳動(dòng)性能達(dá)到最優(yōu)。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過理論分析和原理試驗(yàn)論證，提出的基于蛇怪蜥蜴踏水機(jī)理的輪-葉式兩棲車輛水上推進(jìn)技術(shù)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)想，能夠在不具備大功率車載發(fā)動(dòng)機(jī)和復(fù)雜滑板技術(shù)的情況下，通過改變航態(tài)，巧妙地避開了兩棲車輛提速過程中遇到的“阻力墻”現(xiàn)象，大大減小水阻力，有利于航速的大幅度提升。此外，該技術(shù)原理還可用于船舶等其他排水型載具的水上推進(jìn)研究。

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