·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·