工程科学学报，第38卷，第11期：1636-1642,2016年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.11:1636-1642,November 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.018:http://journals.ustb.edu.cn 仿生叶轮机构水上推进特性仿真与试验 郭劭琰⑧，吕建刚，高飞，张仲志 军械工程学院，石家庄050003 ☒通信作者，E-mail:171529346@q9.com 摘要对一种水上仿生推进装置进行流体力学仿真，并根据处于多种工况下若干组仿真数据，对该推进装置的力学特性进 行分析，着重研究并归纳在不同转速和出水高度条件下，推进装置的升力、推力和功率曲线的变化规律，总结有助于仿生推 进装置设计与优化的结论.最后，借助叶轮机构试验系统进行相关试验，并用试验数据来印证分析结论的合理性。结果表明， 随着转速的提高，推进装置所产生的升力和推力同时增加，机械总效率和推进效率增大，但托举效率减小：当推进装置的轴心 距水面越高时，在一定范围内，其推进效率和托举效率越大.合理的结构设计能够大幅提升装置在各种工况下的推进效率和 托举效率. 关键词叶轮：仿生学：推进：流体力学：仿真 分类号TH136 Simulation and experimental study on the water propulsion properties of a bionic impeller mechanism GUO Shao-yan,LU Jian-gang,GAO Fei,ZHANG Zhong-zhi Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China Corresponding author,E-mail:171529346@qq.com ABSTRACT Hydrodynamic simulations were performed on a bionic water propulsion unit,and the mechanical properties of the propulsion unit were analyzed according to several simulation data under different conditions.This study was focused on the change laws of the lift,thrust and power curves of the propulsion unit at different speeds and altitude conditions,and several conclusions were summarized which would be helpful to design and optimize the bionic propulsion unit.Finally,relevant tests were done by means of an impeller mechanism test system,and the rationality of these conclusions was confirmed through test data.The results show that with increasing speed,the lift and thrust generated by the propulsion unit increase,the machinery efficiency and propulsion efficiency improve,but the lift efficiency decreases.The longer the distance between the axis of the propulsion unit and the water surface,within a certain range the greater the propulsion efficiency and lift efficiency are.Reasonable structure design can significantly improve the propulsion efficiency and lifts efficiency. KEY WORDS impellers;bionics;propulsion:hydromechanics:simulations 目前，两栖车辆高速航行技术已经在民用领域和 其航速可达46.6kmh,而车重更在22.8t以上0 军用领域都获得快速发展.在轻型两栖车辆中，瑞士 这些技术的共同特点是在滑水航态下车辆的排水体积 Rinspeed公司采用水翼技术已经使航速达到8Okm· 会大幅减少，从而使“阻力墙”现象消失，航行阻力大 h:而在中重型两栖车辆中最具代表性的是美国研制 大减小，进而实现高速航行. 的两栖远征战车(expeditionary fighting vehicle,EFV), EV远征战车在海上高机动行驶时，依靠水动力 收稿日期：2015-12-31
工程科学学报，第 38 卷，第 11 期: 1636--1642，2016 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 11: 1636--1642，November 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 11． 018; http: / /journals． ustb． edu． cn 仿生叶轮机构水上推进特性仿真与试验 郭劭琰，吕建刚，高 飞，张仲志 军械工程学院，石家庄 050003 通信作者，E-mail: 171529346@ qq． com 摘 要 对一种水上仿生推进装置进行流体力学仿真，并根据处于多种工况下若干组仿真数据，对该推进装置的力学特性进 行分析． 着重研究并归纳在不同转速和出水高度条件下，推进装置的升力、推力和功率曲线的变化规律，总结有助于仿生推 进装置设计与优化的结论． 最后，借助叶轮机构试验系统进行相关试验，并用试验数据来印证分析结论的合理性． 结果表明， 随着转速的提高，推进装置所产生的升力和推力同时增加，机械总效率和推进效率增大，但托举效率减小; 当推进装置的轴心 距水面越高时，在一定范围内，其推进效率和托举效率越大． 合理的结构设计能够大幅提升装置在各种工况下的推进效率和 托举效率． 关键词 叶轮; 仿生学; 推进; 流体力学; 仿真 分类号 TH136 Simulation and experimental study on the water propulsion properties of a bionic impeller mechanism GUO Shao-yan ，L Jian-gang，GAO Fei，ZHANG Zhong-zhi Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China Corresponding author，E-mail: 171529346@ qq． com ABSTＲACT Hydrodynamic simulations were performed on a bionic water propulsion unit，and the mechanical properties of the propulsion unit were analyzed according to several simulation data under different conditions． This study was focused on the change laws of the lift，thrust and power curves of the propulsion unit at different speeds and altitude conditions，and several conclusions were summarized which would be helpful to design and optimize the bionic propulsion unit． Finally，relevant tests were done by means of an impeller mechanism test system，and the rationality of these conclusions was confirmed through test data． The results show that with increasing speed，the lift and thrust generated by the propulsion unit increase，the machinery efficiency and propulsion efficiency improve，but the lift efficiency decreases． The longer the distance between the axis of the propulsion unit and the water surface，within a certain range the greater the propulsion efficiency and lift efficiency are． Ｒeasonable structure design can significantly improve the propulsion efficiency and lifts efficiency． KEY WOＲDS impellers; bionics; propulsion; hydromechanics; simulations 收稿日期: 2015--12--31 目前，两栖车辆高速航行技术已经在民用领域和 军用领域都获得快速发展． 在轻型两栖车辆中，瑞士 Ｒinspeed 公司采用水翼技术已经使航速达到 80 km· h － 1 ; 而在中重型两栖车辆中最具代表性的是美国研制 的两栖远征战车( expeditionary fighting vehicle，EFV) ， 其航速可达 46. 6 km·h － 1 ，而车重更在 22. 8 t 以上［1］． 这些技术的共同特点是在滑水航态下车辆的排水体积 会大幅减少，从而使“阻力墙”现象消失，航行阻力大 大减小，进而实现高速航行． EFV 远征战车在海上高机动行驶时，依靠水动力
郭劭琰等：仿生叶轮机构水上推进特性仿真与试验 *1637· 作用将车体完全托出水面，实现高速滑行航态.但是， 这种针对中重型两栖车辆的高速航行技术，依靠的是 超大功率的发动机和复杂的滑行车体技术，造价高昂， 燃油经济性与整体可靠性极差.目前，EFV项目已被 美国军方终止 自由液而 为解决中重型两栖车辆的高速航行问题，本文研 究的水上仿生推进装置，参照蛇怪蜥蜴踏水奔跑的原 理，通过将车辆的部分动力直接用于产生升力和减小 车体浸水体积，使其在低航速下加速能力更强且在高 航速下行驶速度更快.本文研究的目的就在于分析单 位功率所产生的升力和推力随推进装置的转速和出水 图1叶轮机构 高度的变化，从而有助于水上仿生推进装置的设计和 Fig.1 Impeller mechanism 优化. 1推进装置原理分析与叶轮机构模型 很多昆虫都具有在水上行走的能力，但主要依靠 水面张力的平衡.蛇怪蜥蜴之所以能在水上行走，却 是依靠其两个脚掌高频率地踩踏水面.对基于蛇怪蜥 开始入水 蜴的仿生叶轮设计已经进行一系列研究；而且蛇 怪蜥蜴的踏水机理在文献2]中已有很详尽的描述分 。水面 析，在此不多作赘述.蛇怪蜥蜴能够踏水行走的这一 完全出水 现象在仿生领域受到广泛关注和深入研究”，而且 入水后 依据流体力学理论，参照旋转流体的仿真过程网，选取 图2单个叶片出入水过程及主要参数 恰当的模型和网格，对仿生机构的旋转问题进行仿真 Fig.2 Moving status and parameters of the single blade 计算，其结果也同样充分地说明高频持续地拍击水面 2 是能够在水面上托起重物的，而两栖车辆在航行时受 基于叶轮机构模型的仿真与分析 到的绝大部分阻力就来自于车体的浸水部分@ 为了分析叶轮机构的力学特性，特使用Fluent软 该水上仿生推进装置籍由高速旋转的叶片连续拍 件对其进行相关仿真计算.在仿真中将外流场视为三 击水面，以提供足够的升力和推力将车体部分或全部 维不可压非定常流动，并采用流体体积法(volume of 托离水面并加速航行.这样就通过主动减小车辆的排 uid,VOF)处理多相流条件下的自由液面变化.在计 水体积和迎流面积使其更易进入滑行航态，且在滑水 算流体体积法模型的瞬态特性时，使用了基于压力的 状态下推进装置所提供的升力也能够进一步减小车体 二维非稳态一阶隐式分离式求解器和显式时间离散格 排水体积，从而使最大航速进一步提高.因此，水上仿 式.并采用PIS0算法和几何重建格式来分别处理连 生推进装置可以简化为一个由若干呈轴对称布置的叶 续方程的压强和速度的耦合，以及体积分数方程的 片及其连接杆构成的叶轮机构，该机构在水与空气交 插值. 界的自由液面附近以角速度。旋转时所受到的反作 由于仿生叶轮的旋转会产生高应变率和大角度弯 用力的合力F,可以分解为竖直向上的升力F力和水 曲的流线，因此在计算非定常湍流时采用适用范围更 平向前的推力F推力，如图1所示. 广的RNG K-模型.在处理固体域边界变动问题时采 为了便于建模，特对单个叶片从拍击水面之初到 用动网格技术和UDF函数，以便更加真实准确地反映 完全脱离水面的过程进行分析，将主要的结构特征提 流场的运动情况因 取，进而将叶片简化为长方形平板.单个叶片从入水 划分出的网格尺寸越小，计算精度越大，但是计算 到出水的过程及提取的主要参数如图2所示，主要包 耗费的时间和资源也越大，并且网格的总数量也受限 括叶轮机构旋转轴心的出水高度H,叶轮轴心距叶片 于服务器的性能.因此，恰当地划分网格的尺寸是仿 根部的距离L,叶片的长度L,叶轮连接轴与叶片的 真计算中的一个关键环节.为了较好地划分仿生叶轮 夹角，以及单个叶片处于开始入水到完全出水两个 机构叶梢以及曲率较大部位的网格，通过反复尝试，特 位置之间的划水状态时，距开始入水位置的夹角α和 使用尺寸函数(size function)控制动网格的生成及分 相应位置处叶片露出水面的长度L,: 布规律，在保证仿生叶轮机构周围网格质量的前提下
郭劭琰等: 仿生叶轮机构水上推进特性仿真与试验 作用将车体完全托出水面，实现高速滑行航态． 但是， 这种针对中重型两栖车辆的高速航行技术，依靠的是 超大功率的发动机和复杂的滑行车体技术，造价高昂， 燃油经济性与整体可靠性极差． 目前，EFV 项目已被 美国军方终止． 为解决中重型两栖车辆的高速航行问题，本文研 究的水上仿生推进装置，参照蛇怪蜥蜴踏水奔跑的原 理，通过将车辆的部分动力直接用于产生升力和减小 车体浸水体积，使其在低航速下加速能力更强且在高 航速下行驶速度更快． 本文研究的目的就在于分析单 位功率所产生的升力和推力随推进装置的转速和出水 高度的变化，从而有助于水上仿生推进装置的设计和 优化． 1 推进装置原理分析与叶轮机构模型 很多昆虫都具有在水上行走的能力，但主要依靠 水面张力的平衡． 蛇怪蜥蜴之所以能在水上行走，却 是依靠其两个脚掌高频率地踩踏水面． 对基于蛇怪蜥 蜴的仿生叶轮设计已经进行一系列研究［2--6］; 而且蛇 怪蜥蜴的踏水机理在文献［2］中已有很详尽的描述分 析，在此不多作赘述． 蛇怪蜥蜴能够踏水行走的这一 现象在仿生领域受到广泛关注和深入研究［7--8］，而且 依据流体力学理论，参照旋转流体的仿真过程［9］，选取 恰当的模型和网格，对仿生机构的旋转问题进行仿真 计算，其结果也同样充分地说明高频持续地拍击水面 是能够在水面上托起重物的，而两栖车辆在航行时受 到的绝大部分阻力就来自于车体的浸水部分［10］． 该水上仿生推进装置籍由高速旋转的叶片连续拍 击水面，以提供足够的升力和推力将车体部分或全部 托离水面并加速航行． 这样就通过主动减小车辆的排 水体积和迎流面积使其更易进入滑行航态，且在滑水 状态下推进装置所提供的升力也能够进一步减小车体 排水体积，从而使最大航速进一步提高． 因此，水上仿 生推进装置可以简化为一个由若干呈轴对称布置的叶 片及其连接杆构成的叶轮机构，该机构在水与空气交 界的自由液面附近以角速度 ω 旋转时所受到的反作 用力的合力 F，可以分解为竖直向上的升力 F升力 和水 平向前的推力 F推力 ，如图 1 所示． 为了便于建模，特对单个叶片从拍击水面之初到 完全脱离水面的过程进行分析，将主要的结构特征提 取，进而将叶片简化为长方形平板． 单个叶片从入水 到出水的过程及提取的主要参数如图 2 所示，主要包 括叶轮机构旋转轴心的出水高度 H，叶轮轴心距叶片 根部的距离 Lr，叶片的长度 Lb，叶轮连接轴与叶片的 夹角 θ，以及单个叶片处于开始入水到完全出水两个 位置之间的划水状态时，距开始入水位置的夹角 α 和 相应位置处叶片露出水面的长度 L1 ． 图 1 叶轮机构 Fig． 1 Impeller mechanism 图 2 单个叶片出入水过程及主要参数 Fig． 2 Moving status and parameters of the single blade 2 基于叶轮机构模型的仿真与分析 为了分析叶轮机构的力学特性，特使用 Fluent 软 件对其进行相关仿真计算． 在仿真中将外流场视为三 维不可压非定常流动，并采用流体体积法( volume of fluid，VOF) 处理多相流条件下的自由液面变化． 在计 算流体体积法模型的瞬态特性时，使用了基于压力的 二维非稳态一阶隐式分离式求解器和显式时间离散格 式． 并采用 PISO 算法和几何重建格式来分别处理连 续方程的压强和速度的耦合，以及体积分数方程的 插值． 由于仿生叶轮的旋转会产生高应变率和大角度弯 曲的流线，因此在计算非定常湍流时采用适用范围更 广的 ＲNG κ-ε 模型． 在处理固体域边界变动问题时采 用动网格技术和 UDF 函数，以便更加真实准确地反映 流场的运动情况［6］． 划分出的网格尺寸越小，计算精度越大，但是计算 耗费的时间和资源也越大，并且网格的总数量也受限 于服务器的性能． 因此，恰当地划分网格的尺寸是仿 真计算中的一个关键环节． 为了较好地划分仿生叶轮 机构叶梢以及曲率较大部位的网格，通过反复尝试，特 使用尺寸函数( size function) 控制动网格的生成及分 布规律，在保证仿生叶轮机构周围网格质量的前提下， ·1637·
·1638 工程科学学报，第38卷，第11期 使得距离仿生叶轮机构越远的网格尺寸越大，设置仿 负，继续下降，直到其他叶片砰击水面：(4)出水高度 生叶轮周围尺寸大小为0.01m,随距离增加的网格尺 越高，升力和推力达到稳定状态的时间越短，稳态下的 寸增长率为1.1，远离机构的网格尺寸最大为0.03m, 波动越平缓. 划分结果如图3所示.其中，装置的主要结构参数如 结合这四点规律，可以做出如下推测：通过适当设 下：叶片长L=0.1m,叶片宽B=0.04m,连接轴L,= 计，使得在推力开始由峰值回落时，其他叶片就已经开 0.1m,夹角0=120° 始砰击水面的话，升力的波谷将不必再触及零点，推力 的下滑时间也会大大缩短.如此一来，叶轮机构产生 的升力和推力都会有大幅提升 这一推测正与初始出水高度为-0.2m和0m时 的仿真结果相佐证：在这两个工况下，由于装置旋转轴 心入水较深，因此仿真结果都出现水下叶片滑动未至 竖直状态前，其他叶片已经砰击水面的现象，如 图4(a)和图4(c)所示，而反映在图6中即出现升力 波谷大于零和推力波谷数值相对较高这两个现象 与图5和图6中试验结果相对应的叶轮机构的输 出功率P分别如图7和图8所示.其中，图7是出水 图3计算域网格划分 高度为0m时，几种角速度下一个周期内的功率变化 Fig.3 Gridding of the computational domain 曲线；图8是在叶轮转动角速度为l0rad·s,且出水 高度分别为-0.2、0和0.2m条件下功率变化曲线. 2.1叶轮机构中叶片所受压强与外流场分析 对比图5至图8可以发现功率曲线的时间波形与 为研究叶片表面的压强分布及外流场特点，特以 升力和推力曲线有以下两点联系：(1)功率曲线波谷 l0ad·s的转动角速度下、轴心出水高度为0m的水 出现的位置与升力曲线波谷的位置相一致：(2)功率 上仿生推进装置的仿真结果为例，选取一个转动周期 曲线波峰出现的位置与推力曲线波谷的位置相一致. 内的若干典型时刻的流场状态用以分析，即以水平位 这两点联系说明单位功率所产生的升力和推力的 置X与竖直位置Y构成的二维平面图，分别描述压力 变化趋势，即：(1)当水下叶片在推力达到最高峰至竖 p和流体运动速度V的信息，如图4所示. 直位置期间，升力、推力和功率持续减小，而单位功率 综合所得到的压强、速度等数据可以得出以下结 所产生的升力和推力持续小幅下降；(2)直至其他叶 论：(1)叶片在水下划动时迎水面的压强远大于背水 片尚未砰击水面期间，单位功率所产生的升力和推力 面，起主导作用，叶片在出水后会带起少量水，但其压 持续大幅下降：(3)在其他叶片砰击水面过程中，单位 强相比于在水下时的压强而言几可忽略不计；：(2)叶 功率所产生的升力持续大幅上升，单位功率所产生的 片砰击水面时，迎水面所受压力最大，之后虽然入水更 推力持续小幅下降；(4)在砰击水面的叶片入水之后 深，但是压强在逐渐减小：(3)推进装置的转动对自由 直至推力达到最高峰，单位功率所产生的推力持续大 液面的影响很大，且水面呈下降状态 幅上升，而单位功率所产生的升力持续小幅下降. 2.2各类工况下叶轮机构的受力与功率变化情况 分析单位功率所产生的升力和推力变化的四个阶 设定多种工况进行仿真，进而得到推进装置在不 段，可以得到与分析升力和推力曲线的变化规律类似 同转动速度和轴心与水面距离等条件下的升力和推力 的结论，如果在推力由波峰回落时，就能使其他叶片砰 变化情况分别如图5和图6所示.图中，。代表仿生推 击水面，将极大地提高推进装置单位功率所能产生的 进装置的叶轮机构绕其对称中心转动的角速度(ad· 升力和推力. s):H代表装置旋转轴心离开水面的高度，简称为出 除了对仿真结果进行时间上的横向比较，还需要 水高度(m):时间坐标轴1以周期T为量纲 对各种工况展开纵向对比.为了便于分析对比，特将 通过观察图5和图6可知，叶轮机构产生的升力 这些典型工况下的推进装置升力、推力与功率求取算 和推力都呈波动性变化，并呈现以下四点规律：(1)每 术平均值，如表1所列. 当有叶片砰击水面入水时，装置产生的升力会迅速由 仿真过程中设定了叶轮的转速为固定值，因此功 波谷增加至波峰，而后逐渐下降，且推力也由波谷开始 率正比于叶轮转动时所受的阻力矩；而且因为该阻力 升高；(2)在叶片入水后至叶片达到竖直位置前的某 矩的力臂不能确定，所以没有办法得到阻力的精确值， 一时刻，推力会达到峰值并开始回落，直至下一次砰击 进而无法得到托举效率、推进效率和总机械效率的具 发生；(3)当水下的叶片达到竖直位置时，升力由正转 体值.因此，本文采用叶轮在单位功率驱动下产生的
工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 使得距离仿生叶轮机构越远的网格尺寸越大，设置仿 生叶轮周围尺寸大小为 0. 01 m，随距离增加的网格尺 寸增长率为 1. 1，远离机构的网格尺寸最大为 0. 03 m， 划分结果如图 3 所示． 其中，装置的主要结构参数如 下: 叶片长 Lb = 0. 1 m，叶片宽 B = 0. 04 m，连接轴 Lr = 0. 1 m，夹角 θ = 120°． 图 3 计算域网格划分 Fig． 3 Gridding of the computational domain 2. 1 叶轮机构中叶片所受压强与外流场分析 为研究叶片表面的压强分布及外流场特点，特以 10 rad·s － 1 的转动角速度下、轴心出水高度为 0 m 的水 上仿生推进装置的仿真结果为例，选取一个转动周期 内的若干典型时刻的流场状态用以分析，即以水平位 置 X 与竖直位置 Y 构成的二维平面图，分别描述压力 p 和流体运动速度 V 的信息，如图 4 所示． 综合所得到的压强、速度等数据可以得出以下结 论: ( 1) 叶片在水下划动时迎水面的压强远大于背水 面，起主导作用，叶片在出水后会带起少量水，但其压 强相比于在水下时的压强而言几可忽略不计; ( 2) 叶 片砰击水面时，迎水面所受压力最大，之后虽然入水更 深，但是压强在逐渐减小; ( 3) 推进装置的转动对自由 液面的影响很大，且水面呈下降状态． 2. 2 各类工况下叶轮机构的受力与功率变化情况 设定多种工况进行仿真，进而得到推进装置在不 同转动速度和轴心与水面距离等条件下的升力和推力 变化情况分别如图5 和图6 所示． 图中，ω 代表仿生推 进装置的叶轮机构绕其对称中心转动的角速度( rad· s － 1 ) ; H 代表装置旋转轴心离开水面的高度，简称为出 水高度( m) ; 时间坐标轴 t 以周期 T 为量纲． 通过观察图 5 和图 6 可知，叶轮机构产生的升力 和推力都呈波动性变化，并呈现以下四点规律: ( 1) 每 当有叶片砰击水面入水时，装置产生的升力会迅速由 波谷增加至波峰，而后逐渐下降，且推力也由波谷开始 升高; ( 2) 在叶片入水后至叶片达到竖直位置前的某 一时刻，推力会达到峰值并开始回落，直至下一次砰击 发生; ( 3) 当水下的叶片达到竖直位置时，升力由正转 负，继续下降，直到其他叶片砰击水面; ( 4) 出水高度 越高，升力和推力达到稳定状态的时间越短，稳态下的 波动越平缓． 结合这四点规律，可以做出如下推测: 通过适当设 计，使得在推力开始由峰值回落时，其他叶片就已经开 始砰击水面的话，升力的波谷将不必再触及零点，推力 的下滑时间也会大大缩短． 如此一来，叶轮机构产生 的升力和推力都会有大幅提升． 这一推测正与初始出水高度为 － 0. 2 m 和 0 m 时 的仿真结果相佐证: 在这两个工况下，由于装置旋转轴 心入水较深，因此仿真结果都出现水下叶片滑动未至 竖直 状 态 前，其 他 叶 片 已 经 砰 击 水 面 的 现 象，如 图 4( a) 和图 4( c) 所示，而反映在图 6 中即出现升力 波谷大于零和推力波谷数值相对较高这两个现象． 与图 5 和图 6 中试验结果相对应的叶轮机构的输 出功率 P 分别如图 7 和图 8 所示． 其中，图 7 是出水 高度为 0 m 时，几种角速度下一个周期内的功率变化 曲线; 图 8 是在叶轮转动角速度为 10 rad·s － 1 ，且出水 高度分别为 － 0. 2、0 和 0. 2 m 条件下功率变化曲线． 对比图 5 至图 8 可以发现功率曲线的时间波形与 升力和推力曲线有以下两点联系: ( 1) 功率曲线波谷 出现的位置与升力曲线波谷的位置相一致; ( 2) 功率 曲线波峰出现的位置与推力曲线波谷的位置相一致． 这两点联系说明单位功率所产生的升力和推力的 变化趋势，即: ( 1) 当水下叶片在推力达到最高峰至竖 直位置期间，升力、推力和功率持续减小，而单位功率 所产生的升力和推力持续小幅下降; ( 2) 直至其他叶 片尚未砰击水面期间，单位功率所产生的升力和推力 持续大幅下降; ( 3) 在其他叶片砰击水面过程中，单位 功率所产生的升力持续大幅上升，单位功率所产生的 推力持续小幅下降; ( 4) 在砰击水面的叶片入水之后 直至推力达到最高峰，单位功率所产生的推力持续大 幅上升，而单位功率所产生的升力持续小幅下降． 分析单位功率所产生的升力和推力变化的四个阶 段，可以得到与分析升力和推力曲线的变化规律类似 的结论，如果在推力由波峰回落时，就能使其他叶片砰 击水面，将极大地提高推进装置单位功率所能产生的 升力和推力． 除了对仿真结果进行时间上的横向比较，还需要 对各种工况展开纵向对比． 为了便于分析对比，特将 这些典型工况下的推进装置升力、推力与功率求取算 术平均值，如表 1 所列． 仿真过程中设定了叶轮的转速为固定值，因此功 率正比于叶轮转动时所受的阻力矩; 而且因为该阻力 矩的力臂不能确定，所以没有办法得到阻力的精确值， 进而无法得到托举效率、推进效率和总机械效率的具 体值． 因此，本文采用叶轮在单位功率驱动下产生的 ·1638·
郭劭琰等：仿生叶轮机构水上推进特性仿真与试验 ·1639· p/(10'Pa) V7m·g9 3.0 0.2 0.2 1.7 2.5 2.0 1.5 15 1.1 0 0.9 0.5 0 0.2 -0.5 -0.2 03 -1.0 0.2 0.2 -0.2 0.2 X/m X/m a p/(10Pa) m·s 3.0 0.2 0.2 17 20 0 0 539066 -0.2 05 -0.2 -1.0 0.2 0 0.2 0.2 0 0.2 X/m X/m (b) p/10 Pa) V7m·g 3.0 0.2 5 0.2 5 2.0 1.5 1 9 0.5 0 0.5 0.2 0.5 0.2 0.3 -1.0 0.1 0.2 0 0.2 -0.2 0 0.2 X/m X/m 图4不同时刻叶轮机构外流场的压力和速度.(a)时间为3/8个周期：(b)时间为48个周期：(c)时间为5/8个周期 Fig.4 Pressure and velocity contours of the external flow field around the impeller mechanism:(a)the time is 3/8 cycle:(b)the time is half a cy- cle;(c)the time is 5/8 cycle 40r e-e=5ad·s1 (b) -8-@=5 rad.s- 30 ◆-w=10ad·s1 -0=l0ad:g1 。-w=20mdg -w=20ad·g-l 100 0.270.4T0.6T0.8T1.0T 0 0.2T0.4T0.6T0.8T 1.07 图5几种角速度下叶轮机构受力变化情况.(a)升力：(b)推力 Fig.5 Thrust and lift curves at different rotations:(a)lift:(b)thrust 平均升力、平均推力和平均合力，分别代表托举效率、下，随着叶轮机构旋转角速度的增加，升力和推力持续 推进效率和总机械效率进行数值比较. 提高，同时总机械效率和推进效率增加，但托举效率却 对比表1所列的结果，可以发现，相同出水高度 小幅减小.当推进装置的轴心距水面越高时，在一定
郭劭琰等: 仿生叶轮机构水上推进特性仿真与试验 图 4 不同时刻叶轮机构外流场的压力和速度． ( a) 时间为 3 /8 个周期; ( b) 时间为 4 /8 个周期; ( c) 时间为 5 /8 个周期 Fig． 4 Pressure and velocity contours of the external flow field around the impeller mechanism: ( a) the time is 3 /8 cycle; ( b) the time is half a cycle; ( c) the time is 5 /8 cycle 图 5 几种角速度下叶轮机构受力变化情况． ( a) 升力; ( b) 推力 Fig． 5 Thrust and lift curves at different rotations: ( a) lift; ( b) thrust 平均升力、平均推力和平均合力，分别代表托举效率、 推进效率和总机械效率进行数值比较． 对比表 1 所列的结果，可以发现，相同出水高度 下，随着叶轮机构旋转角速度的增加，升力和推力持续 提高，同时总机械效率和推进效率增加，但托举效率却 小幅减小． 当推进装置的轴心距水面越高时，在一定 ·1639·
·1640 工程科学学报，第38卷，第11期 o-H=-0.2m -H=-0.2m H=0m 9-H=0m -H=0.2m -H=0.2m 10 0.27 0.4T 0.6T 0.8T 1.07 0.2T 0.4T0.6T 0.8T 1.07 图6几种出水高度下叶轮机构的受力变化情况.(a)升力：(b)推力 Fig.6 Thrust and lift curves at different positions:(a)lift:(b)thrust 100 -e-0=5 rad.s 3仿生推进装置试验验证 ◆-w=l0 rad.s 0=20 rad.s- 通过仿真仿生推进装置的力学特性，最终得到提 高其力学性能的若干方法，但是流体力学的计算依赖 40 于所构建的数学模型，尤其是在理论建模中对部分条 件和部分参数进行假设处理，从而造成仿真所得到的 结果与实际的物理过程间存在偏差.因此，需要通过 在仿生推进装置试验平台上测量推进装置在一定工况 0.2T0.4T0.6T0.8T1.07 下的力学特性，来验证仿真分析结论的有效性.对仿 图7几种角速度下叶轮机构功率变化情况 生推进装置的力学特性进行试验时，采用的叶轮机构 Fig.7 Power curves at different rotations 试验系统如图9所示. 60 a-H=-0.2m -H=0m 竖直导轨 -H=0.2m 叶轮支架 40 30 20 水平导轨 仿生叶轮 采集设备 % 0.2T0.470.6T0.8T1.0T 图8几种出水高度下叶轮机构的功率变化情况 图9叶轮机构试验系统 Fig.8 Power curves at different positions Fig.9 Impeller agency test platform system 范围内，其推进效率和托举效率越大 恒扭矩转动相较于恒定转速转动更加接近叶轮转 动的实际状态：但在仿真时却设定叶轮以恒定转速旋 表1几种工况下叶轮机构的升力、推力与功率 Table 1 Thrust,lift and power under several working conditions 转而非恒扭矩转动.这一方面是因为用UDF函数调 用到的固体表面的压力数据与由Fluent生成的压力云 转动的 初始时的升力的算术 推力的 功率的 角速度1 出水高度/ 平均值/ 算术平均 算数平均 图并不相符，由此计算得到的阻力矩的累计误差将不 rad.s-1) m N 值/N 值/W 可忽略；另一方面旋转角速度增大时有可能出现网格 5 0 3.60 4.38 11.4 负体积而导致计算失败，从而增加计算难度和计算成 10 -0.2 2.92 7.53 36.2 本.虽然在试验中叶轮转速必然会因为阻力矩的变化 10 0 6.35 10.92 23.1 而变化，而使得以恒转速转动达到的仿真结果并不方 10 0.2 2.92 5.22 8.9 便与试验结果进行对比，但是恒扭矩转动在试验中也 20 0 9.88 26.76 45.2 同样不可能实现，因为驱动设备的扭矩也难以保证
工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 图 6 几种出水高度下叶轮机构的受力变化情况． ( a) 升力; ( b) 推力 Fig． 6 Thrust and lift curves at different positions: ( a) lift; ( b) thrust 图 7 几种角速度下叶轮机构功率变化情况 Fig． 7 Power curves at different rotations 图 8 几种出水高度下叶轮机构的功率变化情况 Fig． 8 Power curves at different positions 范围内，其推进效率和托举效率越大． 表 1 几种工况下叶轮机构的升力、推力与功率 Table 1 Thrust，lift and power under several working conditions 转动的 角速度/ ( rad·s － 1 ) 初始时的 出水高度/ m 升力的算术 平均值/ N 推力的 算术平均 值/N 功率的 算数平均 值/W 5 0 3. 60 4. 38 11. 4 10 － 0. 2 2. 92 7. 53 36. 2 10 0 6. 35 10. 92 23. 1 10 0. 2 2. 92 5. 22 8. 9 20 0 9. 88 26. 76 45. 2 3 仿生推进装置试验验证 通过仿真仿生推进装置的力学特性，最终得到提 高其力学性能的若干方法，但是流体力学的计算依赖 于所构建的数学模型，尤其是在理论建模中对部分条 件和部分参数进行假设处理，从而造成仿真所得到的 结果与实际的物理过程间存在偏差． 因此，需要通过 在仿生推进装置试验平台上测量推进装置在一定工况 下的力学特性，来验证仿真分析结论的有效性． 对仿 生推进装置的力学特性进行试验时，采用的叶轮机构 试验系统如图 9 所示． 图 9 叶轮机构试验系统 Fig． 9 Impeller agency test platform system 恒扭矩转动相较于恒定转速转动更加接近叶轮转 动的实际状态; 但在仿真时却设定叶轮以恒定转速旋 转而非恒扭矩转动． 这一方面是因为用 UDF 函数调 用到的固体表面的压力数据与由 Fluent 生成的压力云 图并不相符，由此计算得到的阻力矩的累计误差将不 可忽略; 另一方面旋转角速度增大时有可能出现网格 负体积而导致计算失败，从而增加计算难度和计算成 本． 虽然在试验中叶轮转速必然会因为阻力矩的变化 而变化，而使得以恒转速转动达到的仿真结果并不方 便与试验结果进行对比，但是恒扭矩转动在试验中也 同样不可能实现，因为驱动设备的扭矩也难以保证 ·1640·
郭劭琰等：仿生叶轮机构水上推进特性仿真与试验 *1641· 不变 20 为了与以恒转速旋转得到的仿真结果进行对比， 15 在试验中可以通过提高平均转速的方法，使得叶片在 拍水时的转速不低于仿真时设定的恒定值，从而获得 M 可比性.因此，通过电子调速器将叶轮机构的转速控 0.51.0152.02.53.0354.04.55.0 制在约6.28rads左右进行试验. 60 此外，在仿真中将仿生叶轮机构简化为四个叶片， ≤40 而在试验中连接轴的宽度为0.01m,显然不可忽略 在试验中通过加大叶片尺寸，再根据放大比例对试验 M 结果做除法的方式，减弱连接轴拍水对升力和推力的 005101520253.035404550 影响.因此，参照仿真模型设计试验装置的各项结构 s 参数，叶片长L。=0.155m,叶片宽B=0.08m,连接轴 图11经小波降噪后得到的托举力与推进力的曲线 L,=0.120m,夹角0=120°.试验得到的托举力和推进 Fig.11 Thrust and lift curves after noise reduction 力信号随时间t变化的曲线如图10所示 律，并得出有助于该仿生推进装置设计与优化的两条 结论： (1)随着转速的提高，推进装置所产生的升力和 推力同时增加，机械总效率和推进效率增大，但托举效 率减小：并且在一定范围内，当推进装置的轴心距水面 -5000510152.02.53.03540455.0 越高时，其推进效率和托举效率越大. 100 (2)通过调节推进装置的结构参数，使得划水叶 。构响w纳 ≤50 片所产生的推力刚刚由波峰回落时，其他叶片就可以 与水面发生砰击的话，将大幅提高推进装置的推进效 率和托举效率 -5000510152.0253.03540455.0 s 图10仿生推进装置的推进力与托举力测试结果 参考文献 Fig.10 Tested thrust and lift curves of the bionic impeller Song G X.Main Question Research on Reducing Resistance and In- 托举力的均值约为12.3N,而推进力随运转时间 creasing Speed for Amphibious Vehicle [Dissertation].Nanjing: 的增加而增大的趋势愈发明显，因此只取其第一个周 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2008 (宋桂霞.水陆两栖车辆减阻增速关键问题研究[学位论文] 期的平均值约为17.8N.由于叶片面积增大为3.1 南京：南京航空航天大学，2008) 倍，而且转动的角速度略有增加，故而相比于升力和推 2] Bai X H,Lu J G,Gao F,et al.Research on new type of reducing 力分别为3.6N和4.38N的仿真结果，试验得到的相 water resistance technique based on the bionics.I Ship Mech, 同面积下的托举力和推进力略有增加，分别为3.97N 2012,16(8):860 和5.74N.由此可知，通过仿真分析获得的仿生推进 (白向华，吕建刚，高飞，等.一种新型水上减阻仿生技术研 装置力学特性与试验结果基本相符. 究.船舶力学，2012,16(8)：860) 将图10中的数据经db20小波降噪，并选定10层 B3]Lii JG,Gao F,Song B,et al.Research on the method of numeri- cal calculation for propulsion unit based on the mechanism of the 分解的结果，可以得到含有托举力与推进力各自波峰 basilisk lizard running on the water.JOrdnance Eng Coll,2012, 波谷信息的曲线，如图11所示. 24(5):26 通过图11中波峰和波谷的位置信息，可以验证在 (吕建刚，高飞，宋彬，等.基于蛇怪蜥蜴踩水机理的仿生推 仿真中得到两条规律，即推进力波峰的位置稍滞后于 进装置数值计算方法研究.军械工程学院学报，2012,24 托举力的波峰，推进力波谷的位置约等于托举力的 (5):26) 波峰. 4 Gao F.Lu JG,Zhang X T,et al.Simulation analysis of move- ments of wheel-blade compound propulsion unit.Comput Simul, 4结论 2012,29(6):41 (高飞，吕建刚，张晓祷，等.轮一叶复合式推进装置运动仿 本文通过对仿真结果和试验数据的对比分析，既 真分析.计算机仿真，2012,29(6)：41) 用试验数据印证了仿真结果的合理性，又归纳了水上 [5]Bai X H,Guo S Y,L JG,et al.Numerical simulation of water- 仿生推进装置运转过程中存在的若干力学特性与规 propulsion perfommance of bionic impeller under different working
郭劭琰等: 仿生叶轮机构水上推进特性仿真与试验 不变． 为了与以恒转速旋转得到的仿真结果进行对比， 在试验中可以通过提高平均转速的方法，使得叶片在 拍水时的转速不低于仿真时设定的恒定值，从而获得 可比性． 因此，通过电子调速器将叶轮机构的转速控 制在约 6. 28 rad·s － 1 左右进行试验． 此外，在仿真中将仿生叶轮机构简化为四个叶片， 而在试验中连接轴的宽度为 0. 01 m，显然不可忽略． 在试验中通过加大叶片尺寸，再根据放大比例对试验 结果做除法的方式，减弱连接轴拍水对升力和推力的 影响． 因此，参照仿真模型设计试验装置的各项结构 参数，叶片长 Lb = 0. 155 m，叶片宽 B = 0. 08 m，连接轴 Lr = 0. 120 m，夹角 θ = 120°． 试验得到的托举力和推进 力信号随时间 t 变化的曲线如图 10 所示． 图 10 仿生推进装置的推进力与托举力测试结果 Fig． 10 Tested thrust and lift curves of the bionic impeller 托举力的均值约为 12. 3 N，而推进力随运转时间 的增加而增大的趋势愈发明显，因此只取其第一个周 期的平均值约为 17. 8 N． 由于叶片面积增大为 3. 1 倍，而且转动的角速度略有增加，故而相比于升力和推 力分别为 3. 6 N 和 4. 38 N 的仿真结果，试验得到的相 同面积下的托举力和推进力略有增加，分别为 3. 97 N 和 5. 74 N． 由此可知，通过仿真分析获得的仿生推进 装置力学特性与试验结果基本相符． 将图 10 中的数据经 db20 小波降噪，并选定 10 层 分解的结果，可以得到含有托举力与推进力各自波峰 波谷信息的曲线，如图 11 所示． 通过图 11 中波峰和波谷的位置信息，可以验证在 仿真中得到两条规律，即推进力波峰的位置稍滞后于 托举力的波峰，推进力波谷的位置约等于托举力的 波峰． 4 结论 本文通过对仿真结果和试验数据的对比分析，既 用试验数据印证了仿真结果的合理性，又归纳了水上 仿生推进装置运转过程中存在的若干力学特性与规 图 11 经小波降噪后得到的托举力与推进力的曲线 Fig． 11 Thrust and lift curves after noise reduction 律，并得出有助于该仿生推进装置设计与优化的两条 结论: ( 1) 随着转速的提高，推进装置所产生的升力和 推力同时增加，机械总效率和推进效率增大，但托举效 率减小; 并且在一定范围内，当推进装置的轴心距水面 越高时，其推进效率和托举效率越大． ( 2) 通过调节推进装置的结构参数，使得划水叶 片所产生的推力刚刚由波峰回落时，其他叶片就可以 与水面发生砰击的话，将大幅提高推进装置的推进效 率和托举效率． 参 考 文 献 ［1］ Song G X． Main Question Ｒesearch on Ｒeducing Ｒesistance and Increasing Speed for Amphibious Vehicle ［Dissertation］． Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2008 ( 宋桂霞． 水陆两栖车辆减阻增速关键问题研究［学位论文］． 南京: 南京航空航天大学，2008) ［2］ Bai X H，Lü J G，Gao F，et al． Ｒesearch on new type of reducing water resistance technique based on the bionics． J Ship Mech， 2012，16( 8) : 860 ( 白向华，吕建刚，高飞，等． 一种新型水上减阻仿生技术研 究． 船舶力学，2012，16( 8) : 860) ［3］ Lü J G，Gao F，Song B，et al． Ｒesearch on the method of numerical calculation for propulsion unit based on the mechanism of the basilisk lizard running on the water． J Ordnance Eng Coll，2012， 24( 5) : 26 ( 吕建刚，高飞，宋彬，等． 基于蛇怪蜥蜴踩水机理的仿生推 进装置数值计算方法研究． 军械工程学院学报，2012，24 ( 5) : 26) ［4］ Gao F，Lü J G，Zhang X T，et al． Simulation analysis of movements of wheel--blade compound propulsion unit． Comput Simul， 2012，29( 6) : 41 ( 高飞，吕建刚，张晓涛，等． 轮--叶复合式推进装置运动仿 真分析． 计算机仿真，2012，29( 6) : 41) ［5］ Bai X H，Guo S Y，Lü J G，et al． Numerical simulation of waterpropulsion performance of bionic impeller under different working ·1641·
·1642· 工程科学学报，第38卷，第11期 conditions.Comput Simul,2014,31(12):9 8] Hsich T.Lauder G V.Running on water:three-dimensional (白向华，郭劭琰，吕建刚，等.不同工况下仿生叶轮水上推 force generation by basilisk lizards.Proc Natl Acad Sci USA, 进性能数值分析.计算机仿真，2014,31(12)：9) 2004,101(48):16784 [6] Bai X H,Li J G,Guo S Y,et al.Performance analysis of bionic 9]Ming C Y,Zheng L C,Zhang XX,et al.Numerical analysis of impeller under different loads based on mechanism of basilisk liz- the flow and heat transfer of a power-aw fluid over a rotating disk ard treading water.Jo Huazhong Univ Sci Technol Nat Sci Ed, J Unig Sci Technol Beijing,2011,33(9):1166 2015,43(2):76 (明春英，郑连存，张欣欣，等.幂律流体在旋转盘上的流动 (白向华，吕建刚，郭劭琰，等.基于蛇怪蜥蜴踏水机理的仿 与传热数值分析.北京科技大学学报，2011,33(9)：1166) 生叶轮负载性能分析.华中科技大学学报（自然科学版）， [10]Li L,Wang X C,Han S,et al.Calculation of wave-making re- 2015,43(2):76) sistance and analysis of flow field for amphibious armored vehi- Hsich S T.Three-dimensional hindlimb kinematics of water run- cles.Acta Armamentarii,2010,31(8):1102 ning in the plumed basilisk (Basiliscus plumifrons).Exp Biol, (李莉，王宪成，韩树，等。两栖装甲车辆兴波阻力的计算及 2003,206:4363 流场分析.兵工学报，2010,31(8)：1102)
工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 conditions． Comput Simul，2014，31( 12) : 9 ( 白向华，郭劭琰，吕建刚，等． 不同工况下仿生叶轮水上推 进性能数值分析． 计算机仿真，2014，31( 12) : 9) ［6］ Bai X H，Lü J G，Guo S Y，et al． Performance analysis of bionic impeller under different loads based on mechanism of basilisk lizard treading water． Jo Huazhong Univ Sci Technol Nat Sci Ed， 2015，43( 2) : 76 ( 白向华，吕建刚，郭劭琰，等． 基于蛇怪蜥蜴踏水机理的仿 生叶轮负载性能分析． 华中科技大学学报( 自然科学版) ， 2015，43( 2) : 76) ［7］ Hsieh S T． Three-dimensional hindlimb kinematics of water running in the plumed basilisk ( Basiliscus plumifrons) ． J Exp Biol， 2003，206: 4363 ［8］ Hsieh S T，Lauder G V． Ｒunning on water: three-dimensional force generation by basilisk lizards． Proc Natl Acad Sci USA， 2004，101( 48) : 16784 ［9］ Ming C Y，Zheng L C，Zhang X X，et al． Numerical analysis of the flow and heat transfer of a power-law fluid over a rotating disk． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33( 9) : 1166 ( 明春英，郑连存，张欣欣，等． 幂律流体在旋转盘上的流动 与传热数值分析． 北京科技大学学报，2011，33( 9) : 1166) ［10］ Li L，Wang X C，Han S，et al． Calculation of wave-making resistance and analysis of flow field for amphibious armored vehicles． Acta Armamentarii，2010，31( 8) : 1102 ( 李莉，王宪成，韩树，等． 两栖装甲车辆兴波阻力的计算及 流场分析． 兵工学报，2010，31( 8) : 1102) ·1642·
