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·