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 In￾creasing 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 numeri￾cal 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 move￾ments 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 water￾propulsion performance of bionic impeller under different working ·1641·