無人帆船的翼帆氣動性能研究

李森茂，管殿柱*，趙大剛，夏 濤，季建華

（1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071；2.自然資源部海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，青島 266061）

0 引言

近年來，隨著全球石油價格的逐漸上升以及人們環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，風(fēng)能、太陽能和潮汐能等清潔能源引起了各行各業(yè)的關(guān)注。同時，海洋面臨著海水富營養(yǎng)化、酸化和缺氧等一系列問題[1]。以風(fēng)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(diào)查海洋資源和環(huán)境監(jiān)測[2]，也可以用在海岸巡邏、海洋取樣和氣象調(diào)查等方面[3]。無人帆船在海洋實際應(yīng)用方面具有較大的潛力，為海洋立體綜合觀測、海洋環(huán)境安全保障提供觀測技術(shù)方法與先進(jìn)平臺支持[4]。但是，傳統(tǒng)帆船的柔性帆在面對海洋惡劣的環(huán)境以及無人帆船長航時，大范圍，高壽命的設(shè)計要求時[5]，其局限性越來越明顯。主要原因有：1）在理想攻角下，柔性帆最大升力系數(shù)在0.8左右[6]，實際航行中，最大升力系數(shù)在0.6～0.7之間，升力系數(shù)較小；2）當(dāng)帆側(cè)迎風(fēng)時，柔性帆容易發(fā)生空氣彈性變形[7]；3）不易操縱船帆轉(zhuǎn)變攻角[8]。針對傳統(tǒng)帆船柔性帆的不足，研究人員研發(fā)了一種帶有襟翼的剛性翼帆無人帆船[5][9]，其無人帆船三維模型如圖1所示。

圖1 無人帆船示意圖

此種無人帆船的動力裝置為剛性翼帆，翼帆包含主帆和襟翼，主帆為無人帆船提供主要的動力，襟翼用來控制主帆的轉(zhuǎn)向[10]。在翼帆上安裝有襟翼執(zhí)行器等智能控制系統(tǒng)，當(dāng)微氣象儀檢測到風(fēng)向和風(fēng)速突然變化時，通過啟動襟翼執(zhí)行器調(diào)整襟翼的角度，在力矩的作用下，使主帆自動調(diào)整到最佳迎風(fēng)角，不需要專門的轉(zhuǎn)向裝置控制主帆的旋轉(zhuǎn)。采用剛性翼帆，使得船帆具有穩(wěn)定的外形、氣動效果好、升力系數(shù)大、響應(yīng)速度快、良好的結(jié)構(gòu)和安全特性等優(yōu)點[11]。剛性翼帆彌補(bǔ)了傳統(tǒng)柔性帆升力系數(shù)小、易變形、不易控制轉(zhuǎn)向等方面的不足，具有較好的應(yīng)用前景。本文運用Fluent軟件和ANSYS Workbench軟件對剛性翼帆的氣動性能進(jìn)行分析研究，為無人帆船的推力優(yōu)化和自主航行控制提供了性能數(shù)據(jù)，該項目是航空理論在航海領(lǐng)域的應(yīng)用，對于探索海洋具有重要的意義。

1 翼帆的參數(shù)化處理與配置方案分析

1.1 參數(shù)化處理

帆船主帆既要承受左舷來風(fēng)，又要承受右舷來風(fēng)，因此要求主帆是對稱的翼型，NACA0021翼型[12]具有良好的升阻比性能以及較大的失速攻角，將其設(shè)置為主帆翼型，襟翼選用NACA0018翼型[13]。為了便于分析，在考慮升力系數(shù)、升阻比、氣動中心等要求的情況下，將翼帆視為一個單獨的模型。在SolidWorks中將翼帆設(shè)計參數(shù)設(shè)置為全局變量“DS_D_”的形式，實現(xiàn)了SolidWorks與ANSYS之間的參數(shù)連接。

1.2 不同配置的翼帆

如圖2所示為3種初步設(shè)計的翼帆配置方案[14]。A型翼帆是與飛機(jī)機(jī)翼類似的常規(guī)翼帆，結(jié)構(gòu)簡單。B型翼帆的主帆外形為錐形，采用錐形可以降低主帆根部的彎曲載荷并降低重心。C型翼帆是裝配了集成到主帆上的襟翼[15]，一體式結(jié)構(gòu)增加了翼帆的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并且減小了翼帆的旋轉(zhuǎn)半徑。

圖2 不同的翼帆配置

不同配置翼帆的設(shè)計參數(shù)以及翼帆的氣動性能參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計參數(shù)及翼帆氣動性能參數(shù)

如圖3所示，桅桿Q設(shè)在主帆弦長的1/4處，b為主帆翼展、ct為翼尖弦、cr為翼根弦，翼帆配備一個襟翼，距離桅桿的長度為d1，高度為d，襟翼的翼展b`和弦c`長與主帆成比例，主帆的氣動中心用一個紅色的點標(biāo)出。

圖3 設(shè)計參數(shù)

定義主帆展弦比AR為：

根據(jù)翼尖弦和翼根弦之間的關(guān)系定義錐度比τ為：

前傾角φ如圖2(C)所示，氣動中心AC的位置用它的高度位置與主帆翼展長度的百分比表示。

2 翼帆的氣動性能研究

2.1 模型的建立

翼帆主帆翼展為1800mm，弦長為450mm，襟翼的大小初步設(shè)置為主帆大小的10%[16]。

2.2 網(wǎng)格劃分

如圖4所示，在Fluent軟件中設(shè)置流體域的上下邊界為15倍的弦長，左右邊界為35倍的弦長。為了保證近壁面處的計算精度，對翼型表面區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 網(wǎng)格獨立性檢驗

為了在提高計算效率的同時保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在流場風(fēng)速為8m/s，攻角為10°的情況下，選用SST k-外流場模型對主帆進(jìn)行CFD分析，得到不同網(wǎng)格數(shù)目下的翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)。網(wǎng)格獨立性檢驗結(jié)果如表2所示，由表2可知，當(dāng)網(wǎng)格的數(shù)目設(shè)置在左右時，翼型的升力系數(shù)以及阻力系數(shù)基本不再變化。這使得仿真結(jié)果不會因為增加網(wǎng)格數(shù)量而產(chǎn)生變化，因此，在之后的仿真分析過程中，將主帆網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置在左右。

表2 網(wǎng)格獨立性檢驗

2.4 襟翼位置對翼帆氣動性能的影響

選取流場風(fēng)速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉(zhuǎn)角7°，襟翼位置與的參數(shù)變動范圍如表3所示，通過Fluent計算分析，得到襟翼位置對翼帆升力系數(shù)的影響規(guī)律，如圖5所示。

圖5 襟翼位置對升力系數(shù)的影響

表3 襟翼位置參數(shù)變動范圍

根據(jù)圖5所示，可以得出以下結(jié)論：

1）襟翼的左右位置對翼帆的升力系數(shù)產(chǎn)生影響。在襟翼離主帆較近時，襟翼阻礙了主帆尾流流場的平滑流動，如圖6(a)所示，從而減少主帆產(chǎn)生的升力。將襟翼放置在距離主帆較遠(yuǎn)的位置時，襟翼不影響主帆流場流動，對主帆升力系數(shù)影響較小，如圖6(b)所示。然而，過遠(yuǎn)的襟翼位置將會使得翼帆的重心向后移動，同時也會加大翼帆的旋轉(zhuǎn)半徑，翼帆在旋轉(zhuǎn)時易碰到其他設(shè)備或者船只。

圖6 主帆周圍流場流動狀況

2）襟翼的上下位置對翼帆的升力系數(shù)不產(chǎn)生影響，可以將襟翼放在較低的位置，降低翼帆的重心。

2.5 展弦比、錐度比對翼帆氣動性能的影響

選取流場風(fēng)速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉(zhuǎn)角7°，襟翼位置d1為1米，d2為0.8米。主帆展弦比和錐度比參數(shù)變動范圍如表4所示。通過Fluent計算分析，得到主帆展弦比、錐度比對翼帆氣動性能的影響規(guī)律，如圖7～圖9所示。

表4 主帆展弦比和錐度比參數(shù)變動范圍

圖7 展弦比對升力系數(shù)、阻力系數(shù)的影響

圖8 展弦比對氣動中心高度的影響（以主帆翼展百分比表示）

圖9 錐度比對升力系數(shù)和升阻比的影響

根據(jù)圖7～圖9所示，可以得出以下結(jié)論：

1）展弦比是與主帆平面形狀有關(guān)的設(shè)計參數(shù)之一，它影響翼帆升力系數(shù)、阻力系數(shù)的大小和氣動中心的位置。當(dāng)展弦比大于2時，主帆展弦比增加會導(dǎo)致升力系數(shù)的增加，阻力系數(shù)的減小，同時，展弦比的增加會增加氣動中心的高度。在圖8中，氣動中心高度從主帆翼展高度的44%增加到48.1%。

2）錐度比也是與主帆平面形狀有關(guān)的設(shè)計參數(shù)。在圖9中，展弦比保持在4，錐度比在0.2～1.0之間變化，錐度比對升力系數(shù)以及升阻比產(chǎn)生影響，其升阻比變化約為6%。試驗結(jié)果還表明，主帆錐度比τ=0.45時，翼帆擁有較大的升阻比和較佳的氣動性能。

2.6 傾斜角對翼帆氣動性能的影響

設(shè)置C型翼帆高度和展弦比與A 型翼帆相同（b=1800，AR=4）。通過計算襟翼控制主帆旋轉(zhuǎn)所需要的恢復(fù)力矩，發(fā)現(xiàn)面積是主帆面積10%的襟翼（如在A型翼帆中）將無法為C型翼帆提供足夠的恢復(fù)力矩。因此，將C型翼帆襟翼尺寸增加至主帆尺寸的20%。選取流場風(fēng)速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉(zhuǎn)角7°，主帆傾斜角的參數(shù)變動范圍如表5所示。通過Fluent計算分析，得到主帆傾斜角對翼帆氣動性能的影響規(guī)律，如圖10所示。

表5 傾斜角參數(shù)變動范圍

根據(jù)圖10所示，可以得出以下結(jié)論：

圖10 傾斜角對氣動性能的影響

當(dāng)主帆傾斜時，隨著傾斜角度的增加，升力系數(shù)在大幅度的減小。但是傾斜角度的增加有利于降低主帆的氣動中心同時可以加大襟翼繞桅桿的旋轉(zhuǎn)力矩。

3 結(jié)語

通過對帶有襟翼的剛性翼帆進(jìn)行氣動性能分析可知：

1）襟翼左右位置距離主帆較近會減小翼帆的升力系數(shù)，而襟翼上下位置的變動對翼帆的升力系數(shù)不產(chǎn)生影響。

2）主帆采用大展弦比會提高氣動性能，但是細(xì)長的主帆在工作時會有較高的彎曲應(yīng)力。同時，采用錐形主帆，錐度比0.45時，可以提高主帆的整體結(jié)構(gòu)剛度、降低重心和根部的彎曲載荷，且具有較好的氣動性能。

3）主帆隨著傾斜角度的增加，雖然氣動中心逐漸的降低，但升力系數(shù)會大幅減小。

通過對無人帆船剛性翼帆的氣動性能分析，為后續(xù)的無人帆船推力優(yōu)化以及自主航行控制提供了性能數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)了航海工程的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。