一種基于徑向擾動式渦環的水下推進裝置

吳佳俊　戴訓　侯振民

摘要：改善低速工況下噴水推進裝置效率不足的問題，促進噴水推進的應用推廣。基于仿生學原理提出了一種基于徑向擾動式渦環的水下推進裝置，分析了裝置的組成結構及其工作原理，建立了推進裝置的數學理論分析模型。并基于PIOS算法通過Fluent軟件對推進裝置的渦環產生進行理論驗證和推力分析。得到一種能夠解決噴水推進在低速工況下效率低的水下推進裝置。基于徑向擾動式渦環的水下推進裝置可以改善低速工況時效率低的問題，可為噴水推進的應用推廣提供幫助。

關鍵詞：水下推進;徑向擾動式渦環;仿生學Fluent推進效率

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-0069（2020）07-0109-03

引言

隨著我國資源節約型、環境友好型現代化發展戰略的實施，我國加快了推進工業節能減排工作的步伐，提出了更為嚴格的硬性要求[1]。而船舶又是全球溫室氣體排放和能源消耗大戶之一。噴水推進作為一種特殊的推進方式，相較于螺旋槳推進具有噪聲小，適應工況能力強，機械結構簡單壽命長，抗空泡性能良好，周圍流場穩定，高速工況下推進效率較高等優點[2]，在一些領域已得到應用。雖然其相對于螺旋槳推進有諸多優勢，但其存在低速工況下推進效率不足的問題。因此一種既能發揮噴水推進裝置優勢又能解決低速工況下推進效率不足的新型噴水推進裝置非常具有研究意義。

一、結構設計

為了改進噴水推進在低速工況下效率低的問題，現有的方法主要是從噴水推進器的輸入口進行改進，通過改變泵和葉片的位置結構來實現推力的改變，但其改善的效果不佳導致噴水推進在低速I況時效率較低的問題仍然存在。因此本裝置提出了一種從噴水推進器輸出口進行改進的方案，將噴水推進器的噴水部分進行改進。

考慮到許多海洋生物在運動時是將自身能量傳遞給周圍的水以引起反沖作用來實現推進的，如圖1所示。為了達到最高的推進效率，這些生物會通過產生徑向擾動改變自身噴水出水口處截面積的大小，通過截面積的收縮使周圍的水以渦環結構形式存在，以盡可能多地帶走水的質量和沖量。且通過科學家的實驗表明，渦環對質量和動量的輸送能力要大于等量的直流液體[3]。因此為了提高噴水推進器在低速工況效率低的問題，在結構設計上，本裝置利用仿生學的原理采用一種徑向擾動式渦環產生機構來幫助本推進裝置能夠較大地改善低速工況下的噴水推進效率，提高能量利用效率。

結合上述分析，本裝置采用從噴水輸出口添加一種基于仿生學的徑向擾動式渦環產生機構進行改進。在總體結構上，本裝置主要包括進水加速模塊、渦環發生模塊和輔助模塊（轉向模塊和倒車模塊），整體結構如圖2所示。

本裝置的工作原理為：裝置進水口周圍的水流在經過進水加速模塊驅動后被吸入到推進器中加速和整流。加速和整流后形成的高速直流接著經過渦環發生模塊，并由渦環發生模塊產生的徑向擾動進一步加速。再次加速的水流不斷沖擊前面水流，最終在漸縮噴口處由于剪切作用卷曲形成連續渦環，通過渦環對質量和動量的輸送能力強的特點來達到高效推進的目的。當推進器需要轉向和倒車時可以通過輔助模塊幫助其實現相應的功能。

接下來依次對本裝置的各個模塊進行功能、結構、工作原理以及創新點的分析。

（一）進水加速模塊設計

進水加速模塊作為推進器的動力源，其功用為將外界水泵入裝置中并對其加速和整流。在結構上，進水加速模塊主要由進水口、進水口擋板、加速葉輪、整流葉輪、傳動軸、驅動電機、聯軸器等組成，結構如圖3所示。

在動力傳輸方面，傳動軸作為進水加速模塊的核心動力傳遞裝置，左邊依次連接聯軸器和驅動電機，右邊依次連接加速葉輪以及整流葉輪。

進水加速模塊的工作原理為：驅動電機通過聯軸器和傳動軸帶動加速葉輪和整流葉輪。當水流進入進水口后由加速葉輪加速，再經過整流葉輪使得流體的旋轉運動的能量全部轉換成向后運動的能量，同時消除了傾倒力矩，得到同一截面上的水流速度相同且能滿足能被擾流條件的高速直流。

本裝置的進水加速模塊和傳統的噴水推進器的進水模塊最主要的區別在于添加了一個單獨的整流葉輪，使得新型裝置能夠更好地消除進水傾倒力矩，得到高速直流。若加速葉輪損壞，整流葉輪還可在一定程度幫助實現水流的吸入加速，為進水加速模塊的穩定工作提供一定保障。此外進水口在設計上為L形，其目的是將船底水流自然導入葉輪。進水口擋板則用于防止固體雜質進入進水加速模塊，維持裝置的正常工作。

（二）渦環發生模塊結構設計

渦環發生模塊是本裝置的核心模塊，其設計的目的在于提升噴水推進時水流對質量和動量的輸送能力，改善傳統噴水推進低速工況效率低的問題，提升低速工況下的推進效率。

對比現有的研究發現，，目前基于水母，烏賊等利用渦環推進的水下生物的仿生研究已經開展很多了，其相應的各種基于渦環原理的仿生機器人也被制作出來。但這些仿生式的水下推進方式大多采用的是一吸一噴式的渦環產生機構，通過記憶合金或者推板實現水流的加速產生渦環，在結構和推進效率上存在著非常明顯的不足：

1.機械結構復雜：大多采用形狀記憶合金和柔性材料以模仿生物腔體的收縮擴張，在機械結構復雜的同時既增加了噴水推進器的高昂成本也在一定程度上增加了水流在噴水推進器中的沿流損失，因而該結構不適用于噴水推進器的推廣應用。

2.推進不穩定：由于采用腔體擴張吸水，腔體收縮噴水的機構，在吸水過程中推進力為零，甚至產生負推力，而噴水過程推進力又很快達到峰值，在實際應用，上非常不便。傳統的渦環大多數都是由推板推動靜態的流體形成的，其渦環產生機構在水流進出口是同口的，如圖4所示，左側圖為噴水是產生的渦環結構，右側圖為吸水時，渦環結構被破壞，裝置推進力為零時的狀態。這樣的結構導致渦環一個一個產生，其裹挾流體，傳輸質量流量的效率會受到很大限制。

針對上述問題，我們提出一種基于徑向擾動式的渦環產生方式，通過對本裝置結構和功能的設計，在渦環發生模塊實現進水口和出水口同向的同時對噴水推進的高速直流進行周期性的徑向擾動，使得一段高速直流可以連續形成渦環。

基于這種渦環產生方式建立了本裝置的渦環發生模塊，在結構上，渦環發生模塊主要由電推桿、活塞、液壓缸、彈性膜、液壓油組成，結構如圖5所示。

渦環發生模塊的工作原理為：當渦環發生模塊工作時，電機帶動電推桿推動活塞，活塞從上止點往下止點運動，液壓缸中液壓油受到擠壓后壓強逐漸上升。當液壓油的壓強大于水流的壓強時，由于壓力作用，彈性膜逐漸突起在流道內形成同心圓樣式，使得流通截面積變小。當活塞運動到下止點時，凸起達到最大值，此時流通截面積最小。當通過進水加速模塊加速和整流水流經過縮小后的截面后，會受到由彈性膜產生的徑向擾動再次被加速形成細長高速水流柱，并對前方未加速的水流柱形成軸向沖擊。被沖擊的水流在漸縮噴口處由于剪切作用卷曲形成渦環。活塞到達下止點并維持一段時間后返程，液壓腔內形成負壓，彈性膜回落，渦環間通過普通射流銜接。當活塞達到上止點，膜完全回落，以此完成一個循環，連續產生渦環。

通過對比傳統的噴水推進器和傳統的渦環產生裝置可知，本裝置的渦環發生模塊具有以下創新點：

1.利用對恒定水流產生周期徑向擾動的方式產生渦環。這種方式相較于傳統一吸一噴式的渦環產生方式，實現了渦環發生時進出水口同向，使得裝置可以產生連續的渦環，推力更趨于穩態，推進效率更高，也讓渦環在水下推進技術的實際應用更加合理。此外，本裝置還利用渦環間有普通射流銜接的特點，提高了對渦環對能動量輸送的效率。如圖6所示，左圖為膜收縮時產生渦環的結構示意圖;右圖為電推桿回程，膜收縮時渦環間銜接的普通射流。

2.渦環產生的大小可以根據所需的推進效率進行主動調節。可以通過調節渦環發生模塊中電推桿的上下止點來使彈性膜凸起的程度不同，進而產生不同的渦環大小。此外，本裝置利用徑向擾動式渦環的持續高效推進的特點，將其應用到噴水推進上，使得噴水推進能夠得到更廣泛的應用，以更多地發揮噴水推進技術相對螺旋槳推進的諸多優勢。

（三）輔助模塊設計

本裝置的輔助模塊主要包括轉向模塊和倒車模塊。轉向模塊和倒車模塊用于幫助裝置實現轉向和倒車行駛。

在結構上，轉向模塊主要由電推桿、轉向連接件、轉向軸、轉向傳動軸、轉向球殼、轉向球殼定位軸組成，如圖7所示。當轉向模塊工作時，電推桿轉動帶動連接件轉動，轉向連接件轉動后通過矩形槽與轉向傳動軸連接，并帶動轉向傳動軸轉動。轉向傳動軸轉動后，通過扭轉力矩驅動與之連接的轉向球殼繞著轉向球殼定位軸轉動。轉向球殼轉動后會即會改變推進器噴水的方向，由于推力方向的改變進而實現推進器的轉向。

相較于傳統噴水推進通過在尾部添加擋板導流裝置，從擋板左右側中的一側進行噴水實現的轉向的方式，本裝置的轉向方式的結構簡單，調節速度快，機動性更強。此外本裝置的轉向模塊在實現轉向功能時不會影響渦環發生模塊的正常工作，提高了轉向效率。

在結構上，倒車模塊主要由電推桿、傳動軸、倒擋擋板，其中電推桿與推進器固定擋板固定，傳動軸與倒擋擋板固定，帶動倒擋擋板前后運動，如圖8所示。此外倒擋擋板與渦環發生器外殼的左右圓柱通過配合連接。當需要倒擋運動時，電推桿通過運動將傳動軸放長，此時由于重力因素的影響，倒擋擋板會由于重力作用繞著渦環發生器外殼的圓柱轉動把擋板放下來擋住推進器的噴水出口，進而根據噴水的反作用力實現倒擋功能。

相較于傳統噴水推進器的倒車模塊，本裝置的倒車模塊結構更為簡單，所需要的控制電機少，實現起來也更為容易。

二、數學模型建立

（一）推進器推力理論分析

一維定常等熵流動噴管的推力由下式給出：

其中e角標表示噴管出口截面積參量，角標a表示環境參量。其中，右式第一項稱為動推力，是由于噴射出的公職產生的動量變化率產生的;第二項稱為靜推力，是由噴管出口截面壓強與外界環境壓強之間的不平衡造成的。

而在渦環發生模塊對水流施加徑向擾動后，總推力等于動推力和靜推力之和的結論已經不適用，二者只占總推力的一小部分，另一部分則是施加擾動過后水流的非穩態特性導致在噴管尾部出現回流現象，由于改變了噴口面積，使得噴出的流體質量流量下降，從而導致內部璧面壓強升高4，故推力應通過仿真得到。

（二）推進器效率分析

由于渦環發生模塊引入了額外的能源消耗，因而推進器的效率不與推力成正比，需要重新計算。噴射式推進的推進效率定義為：推進功率與單位時間流過噴管的流體獲得的動能增量的比值，即;

其中：v航行速度，Vo質量源項的輸出速度

若保持航行速度相同及進流速率相同，則施加擾動與未施加擾動情況下推進效率比為：

v'2為水流軸向速度在管口處積分后取平均方向平均值。T為一個擾動周期，y為噴口半徑。

三、仿真優化分析

為了驗證渦環發生模塊徑向擾動渦環的產生原理，并比較其相對于穩態射流的優勢，獲取總推力等參數式，建立數值仿真模型進行有限元分析仿真模擬[5]。在對實際問題進行建模仿真時，往往會對模型進行合理簡化，來降低計算機硬件配置要求以及計算量。因該裝置呈軸對稱，可采用軸對稱N一S方程求解，搭建其1/2模型，這樣不僅大大降低了網格數量，減少計算時間，而且還能保證計算的精度。裝置噴口直徑D設為12.7mm，噴管內徑為9D，漸縮噴C角度為7°，噴管長度為6.125D。

利用solidworks軟件推進器的核心模塊一渦環發生模塊進行建模，并將其二維平面模型導入Fluent軟件分析渦環的產生情況[6]。用Fluent軟件進行仿真模擬處理，求解算法選擇PIOS算法，湍流模型選擇大渦模擬（LES），我們在仿真時為了更接近噴水推進器工作狀態，并未直接設置進口，而是利用UDF功能在噴管中定義一個質量源項，為對比相同流率下的推力，質量源項的輸出保持不變。

考慮到外流場壁面可能會對渦環產生影響，因此外流場邊界應當足夠遠，根據參考文獻設定長度為6500mm[7]。穩態射流時速度云圖及凸起后渦環形成的云圖如圖9所示。

可以清晰地看到水流在管口卷曲形成渦環并往前輸送的過程，也符合傳統渦環產生方式所產生的渦環過程和形態8，證明了這種方法的可行性，并且由仿真結果我們得到了形成渦環過程中裝置產生的推力曲線。

周期取0.08s，時間步長為0.002s。可以看出一個擾動周期內推力隨時間變化范圍較大，算得一個周期內平均推力F為2.4243N;而穩態射流推力約為2.10814N，即相對于穩態射流，每一個擾動周期內平均推力增大了14.09%。

將仿真計算中得到的數據T=0.08s，T=0.08s，F=114.09%，v;=0.1m/s，v=0.4m/s，以=0.25m2/s，帶入公式（3）得：。-1.103即相對穩態射流，在相同航速和進流流率的情況下，施加擾動后能夠提高約10.3%的效率。

結論

通過理論計算及仿真分析證明，在低速工況下基于徑向擾動式渦環的水下推進裝置可以在相同進水流率的情況下，提高14.09%的推進力，在航速不變的情況下提高約10.3%的效率。本裝置實現了進水和出水方向的一致，保持了進水的恒定以及裝置推進的穩態。通過對水流進行周期性的徑向擾動，使得裝置能夠產生連續的渦環，且在不產生渦環的間隙仍有普通射流，較大程度的改善噴水推進在低速工況下效率低的問題，有助于推進噴水推進裝置的應用推廣，非常具有節能意義。.

參考文獻

[1]高奇峰，鄭剛強，陳琛等高端海洋裝備工業設計探索——以潛航器設計為例[J].設計，2017（09）：18-21.

[2]劉禹章噴水推進裝置在船舶中的應用[0].科技創新與應用，2019（27）：165-166.

[3]李健仿生烏賊推進器及其流體動力仿真和實驗研究[D].哈爾濱工業大學，2011.

[4]張厚臻，余釗圣仿生水母推進的數值模擬研究[J].水動力研究與進展（A輯），2016（31）：327-333.

[5]張凱，陳晶.基于HypersStudy的某飛機頂部板箱體輕量化設計[J]設計，2020，33（09）：23-25.

[6]吳慧蘭.三維打印技術在工業設計模型制作中的應用研究[J]設計，2012（02）：29+28.

[7]張岳脈沖射流非穩態工作過程研究[D].北京理工大學，2016.

[8]向陽渦環演化及其物理特征的研究[D]上海：上海交通大學，2013.