振动翼推进器在波浪中的水动力性能分析

林丰　王冬姣

摘 要：将一组水翼安装在水面无人艇底部一定深度处，在波浪作用下，水翼将跟随艇体作垂荡和纵摇运动而产生推力，使无人艇实现低速自主航行。本文利用FLUENT软件分析二维摇荡水翼在波浪中的推进性能。

关键词：水翼；推力性能；无人艇

中图分类号： U661.34 文献标识码：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装了水翼，使船完全利用波能前进以来，人类便未曾停止过对水翼船研究的步伐。2004年，澳大利亚科学家发明了双翼滑翔快艇，驾驶者可同时操纵飞翼和水翼，双翼滑翔快艇既能在水面滑行，又可以脱离水面实现低空滑翔，可节省燃料[1]达30%～50%。而在数值模拟方面，李彦丽[2]等采用基于速度势的面元法对非定常拍动翼在特定运动规律下产生的水动力进行计算，并与FLUENT软件计算所得结果进行比较，两者变化趋势一致，误差只有11%；而陈庆任[3]同样采用面元法，将Rankine源和偶极子置于边界面上，对三维水翼进行势流数值分析，提出了在小攻角情况下水翼优化的面元方法；王志东[4]利用有限体积方法和RNG k-湍流模型直接求解计算NACA0012水翼的水动力特性，并得出不同浸深、攻角的升力系数、阻力系数等曲线。

本文主要利用FLUENT软件研究安装在波能推进无人艇下的水翼在波浪中的水动力性能，分析了主动控制纵摇和垂荡运动相位差对单水翼推进性能的影响以及在无人艇首部设置一个固定水翼及首尾部各设置一个固定水翼时的推进性能。

2 理论基础

将水翼安装在无人艇上，水翼和艇体之间存在相互作用，且比较复杂。作为第一阶段的研究，本文忽略艇体和水翼之间的相互影响，研究二维水翼在波浪中作摇荡运动时的水动力性能。

2.1 单水翼

3 数值模型的建立

如图1所示，在FLUENT计算模型中，水翼表面和上下边界均采用不可穿透固壁边界条件，左边界为速度入口，右边界为压力出口。在二维坐标系中，x轴为水平方向，由速度入口指向压力出口，y轴为竖直方向，由下边界指向上边界。设置水翼周围的椭圆形区域为运动区域，外圆区域的网格会随着运动区域运动而变化。

水翼转动中心在弦上距导边0.3倍弦长处，采用压力基求解器进行瞬态分析；选取SST k-omega湍流模型与VOF模型；采用动网格功能中的光顺与重构方法：弹性常数设为0.3，节点松弛因子设为0.7，收敛容差设为0.001；最小网格尺寸和最大网格尺寸均为0，最大网格畸变设为0.65。

4 结果分析

取波能推进艇实验模型中的NACA0018型水翼，弦长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 网格数影响

取波浪周期T=1.5 s、迎浪、水翼垂荡幅值h0=0.06 m、纵摇幅值=4o、=0o、=90o。取三种计算网格：GRID-1网格数为111 182，GRID-2网格数为183 971，GRID-3网格数为311 943，得到的水翼水平力Fx时历曲线如图2所示。三种网格对应的水平力平均值分别为-0.79 N/m、-0.69 N/m和-0.67 N/m。GRID-2和GRID-3的计算结果基本相同。

4.2 对主动控制单水翼推进性能的影响

将水翼设置在艇重心位置浸深0.3 m处，水翼的垂荡幅值与艇重心位置的垂荡幅值相等。假设水翼的纵摇幅值与艇体相同，但水翼纵摇运动与垂荡运动相位差可进行主动控制。

当波幅A=0.05 m、周期1.3 s时，垂荡幅值h0=0.014 m、纵摇幅值=3.6o。取=0o，对水翼纵摇和垂荡运动相位差从-180o～180o之间取间隔30o计算，得到平均推力系数Cx如图3所示；周期T=2 s、=3.3o、h0=0.035 m、=0o时，对平均推力系数的影响如图4所示。

由图3和图4可知，当水翼垂荡运动与波面位移同相位（=0o）时，短周期波（T=1.3 s）作用下艇的垂荡幅值较小，不同j值对应的平均推力系数也偏小。

将水翼设置在艇首尾部一定深度处，则可增加水翼的垂荡幅值。周期T=1.5 s时艇体纵摇运动响应最大，A=0.05 m时纵摇幅值达4o，艇体重心处的垂荡幅值为0.023 m；若将水翼设置在船首离重心0.81 m、浸深为0.3 m处，则水翼的垂荡幅值增至h0=0.06 m，说明在艇体纵摇较大时，水翼垂荡幅值大幅提高。取h0=0.06 m、=4o、=0o，不同值得到的平均推力系数如图5所示。由图5可知，将水翼设置在离重心较远的首部，且艇体纵摇幅值较大时，水翼的平均推力系数可大幅提高。endprint

从图3至图5可以看出，随着水翼纵摇和垂荡运动相位差的增大，平均推力系数Cx会呈周期性规律变化；在=180o时的Cx的数值与=-180o时的Cx数值的大小重合。

4.3 固定水翼

在无人艇上安装固定水翼时，水翼纵摇幅值和遭遇频率与艇体相同，在航速为0.1 m/s、T=1.5 s、A=0.05 m时、=4o。

（1）首水翼

在艇首部离艇重心前0.81m处设置一水翼，其垂荡幅值为h01=0.06 m，水翼垂荡运动与艇体重心位置波面位移相位差1=64.68o，水翼纵摇和垂荡运动相位差1=22.35o。经计算，水翼的平均推力系数Cx1 =1.77。

（2）首尾双水翼

除了在无人艇首部设置水翼外，在尾部也设置一个同样大小的水翼。尾水翼位于无人艇重心后0.71 m处，水翼的垂荡幅值为h02=0.05 m、2=-67.41o、2=154.44o。图6为首尾水翼的水平力及两水翼水平力总和的时历曲线图。由图6可以看出，首、尾水翼的水平力曲线均有两个谷值，且其平均值均为负值，即产生推力。首水翼平均推力系数Cx1=2.68，尾水翼平均推力系数Cx2=0.74，总平均推力系数Cx=3.42。

图7为加装尾水翼后，首水翼的水平力时历曲线与单个首水翼的比较，此时Cx1>Cx1 ，说明加装尾水翼对首水翼附近的流场有影响。

图8、图9分别为首尾水翼垂荡位移及其所在位置波面位移的时历曲线。从图8图9可以看出，首水翼的垂荡运动稍滞后于其转轴位置波面位移，而尾水翼的垂荡运动稍领先于其转轴位置波面位移运动。由于尾水翼离重心距离相对较近，其转轴处的垂荡运动幅值小于首水翼，首水翼相对于波面的垂向运动大于尾水翼，导致Cx1>Cx2，即首水翼在推进方面发挥了更大的作用。

5 结论

利用Fluent软件，模拟计算了设置在无人艇上的水翼在波浪中作摇荡运动时的推进性能。垂荡运动由艇体纵摇运动、垂荡运动和水翼安装位置共同决定。对固定水翼，其纵摇运动与艇体纵摇运动同步，为了得到较大的推力，可对水翼的纵摇运动进行主动控制。

数值模拟结果表明，水翼纵摇和垂荡运动间的相位差变化对水翼推力性能产生显著影响，且具有一定规律性。通过主动控制水翼的纵摇运动相位差，可以得到较大的推力。对于固定水翼，由于无法控制纵摇运动的相位差，不能得到最佳的推进性能。而水翼垂荡运动与其转轴处波面位移之相位差对推力性能也产生显著的影响。

参考文献

[1]林一平.展翅飞翔——双翼滑翔快艇[J].现代舰船，2004（12）.

[2]李彦丽等.非定常拍动翼的水动力性能研究[J].哈尔滨工程大学学报，

2009（12）.

[3]陈庆任等.近自由面三维水翼的水动力分析及实验研究[J].船舶力学，

2011（10）.

[4]王志东与朱仁庆.近水面航行二维水翼的水动力特性研究[J].船舶工

程，2004（03）.endprint