·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·