振動翼推進器在波浪中的水動力性能分析

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動而產生推力，使無人艇實現低速自主航行。本文利用FLUENT軟件分析二維搖蕩水翼在波浪中的推進性能。

關鍵詞：水翼；推力性能；無人艇

中圖分類號： U661.34 文獻標識碼：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，澳大利亞科學家發明了雙翼滑翔快艇，駕駛者可同時操縱飛翼和水翼，雙翼滑翔快艇既能在水面滑行，又可以脫離水面實現低空滑翔，可節省燃料[1]達30%～50%。而在數值模擬方面，李彥麗[2]等采用基于速度勢的面元法對非定常拍動翼在特定運動規律下產生的水動力進行計算，并與FLUENT軟件計算所得結果進行比較，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，對三維水翼進行勢流數值分析，提出了在小攻角情況下水翼優化的面元方法；王志東[4]利用有限體積方法和RNG k-湍流模型直接求解計算NACA0012水翼的水動力特性，并得出不同浸深、攻角的升力系數、阻力系數等曲線。

本文主要利用FLUENT軟件研究安裝在波能推進無人艇下的水翼在波浪中的水動力性能，分析了主動控制縱搖和垂蕩運動相位差對單水翼推進性能的影響以及在無人艇首部設置一個固定水翼及首尾部各設置一個固定水翼時的推進性能。

2 理論基礎

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動時的水動力性能。

2.1 單水翼

3 數值模型的建立

如圖1所示，在FLUENT計算模型中，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。設置水翼周圍的橢圓形區域為運動區域，外圓區域的網格會隨著運動區域運動而變化。

水翼轉動中心在弦上距導邊0.3倍弦長處，采用壓力基求解器進行瞬態分析；選取SST k-omega湍流模型與VOF模型；采用動網格功能中的光順與重構方法：彈性常數設為0.3，節點松弛因子設為0.7，收斂容差設為0.001；最小網格尺寸和最大網格尺寸均為0，最大網格畸變設為0.65。

4 結果分析

取波能推進艇實驗模型中的NACA0018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 網格數影響

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。取三種計算網格：GRID-1網格數為111 182，GRID-2網格數為183 971，GRID-3網格數為311 943，得到的水翼水平力Fx時歷曲線如圖2所示。三種網格對應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的計算結果基本相同。

4.2 對主動控制單水翼推進性能的影響

將水翼設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。假設水翼的縱搖幅值與艇體相同，但水翼縱搖運動與垂蕩運動相位差可進行主動控制。

當波幅A=0.05 m、周期1.3 s時，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動相位差從-180o～180o之間取間隔30o計算，得到平均推力系數Cx如圖3所示；周期T=2 s、=3.3o、h0=0.035 m、=0o時，對平均推力系數的影響如圖4所示。

由圖3和圖4可知，當水翼垂蕩運動與波面位移同相位（=0o）時，短周期波（T=1.3 s）作用下艇的垂蕩幅值較小，不同j值對應的平均推力系數也偏小。

將水翼設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時艇體縱搖運動響應最大，A=0.05 m時縱搖幅值達4o，艇體重心處的垂蕩幅值為0.023 m；若將水翼設置在船首離重心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，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如圖5所示。由圖5可知，將水翼設置在離重心較遠的首部，且艇體縱搖幅值較大時，水翼的平均推力系數可大幅提高。endprint

從圖3至圖5可以看出，隨著水翼縱搖和垂蕩運動相位差的增大，平均推力系數Cx會呈周期性規律變化；在=180o時的Cx的數值與=-180o時的Cx數值的大小重合。

4.3 固定水翼

在無人艇上安裝固定水翼時，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、=4o。

（1）首水翼

在艇首部離艇重心前0.81m處設置一水翼，其垂蕩幅值為h01=0.06 m，水翼垂蕩運動與艇體重心位置波面位移相位差1=64.68o，水翼縱搖和垂蕩運動相位差1=22.35o。經計算，水翼的平均推力系數Cx1 =1.77。

（2）首尾雙水翼

除了在無人艇首部設置水翼外，在尾部也設置一個同樣大小的水翼。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谷值，且其平均值均為負值，即產生推力。首水翼平均推力系數Cx1=2.68，尾水翼平均推力系數Cx2=0.74，總平均推力系數Cx=3.42。

圖7為加裝尾水翼后，首水翼的水平力時歷曲線與單個首水翼的比較，此時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歷曲線。從圖8圖9可以看出，首水翼的垂蕩運動稍滯后于其轉軸位置波面位移，而尾水翼的垂蕩運動稍領先于其轉軸位置波面位移運動。由于尾水翼離重心距離相對較近，其轉軸處的垂蕩運動幅值小于首水翼，首水翼相對于波面的垂向運動大于尾水翼，導致Cx1>Cx2，即首水翼在推進方面發揮了更大的作用。

5 結論

利用Fluent軟件，模擬計算了設置在無人艇上的水翼在波浪中作搖蕩運動時的推進性能。垂蕩運動由艇體縱搖運動、垂蕩運動和水翼安裝位置共同決定。對固定水翼，其縱搖運動與艇體縱搖運動同步，為了得到較大的推力，可對水翼的縱搖運動進行主動控制。

數值模擬結果表明，水翼縱搖和垂蕩運動間的相位差變化對水翼推力性能產生顯著影響，且具有一定規律性。通過主動控制水翼的縱搖運動相位差，可以得到較大的推力。對于固定水翼，由于無法控制縱搖運動的相位差，不能得到最佳的推進性能。而水翼垂蕩運動與其轉軸處波面位移之相位差對推力性能也產生顯著的影響。

參考文獻

[1]林一平.展翅飛翔——雙翼滑翔快艇[J].現代艦船，2004（12）.

[2]李彥麗等.非定常拍動翼的水動力性能研究[J].哈爾濱工程大學學報，

2009（12）.

[3]陳慶任等.近自由面三維水翼的水動力分析及實驗研究[J].船舶力學，

2011（10）.

[4]王志東與朱仁慶.近水面航行二維水翼的水動力特性研究[J].船舶工

程，2004（03）.endprint