吳佳俊　戴訓(xùn)　侯振民

摘要：改善低速工況下噴水推進裝置效率不足的問題，促進噴水推進的應(yīng)用推廣?；诜律鷮W(xué)原理提出了一種基于徑向擾動式渦環(huán)的水下推進裝置，分析了裝置的組成結(jié)構(gòu)及其工作原理，建立了推進裝置的數(shù)學(xué)理論分析模型。并基于PIOS算法通過Fluent軟件對推進裝置的渦環(huán)產(chǎn)生進行理論驗證和推力分析。得到一種能夠解決噴水推進在低速工況下效率低的水下推進裝置?；趶较驍_動式渦環(huán)的水下推進裝置可以改善低速工況時效率低的問題，可為噴水推進的應(yīng)用推廣提供幫助。

關(guān)鍵詞：水下推進;徑向擾動式渦環(huán);仿生學(xué)Fluent推進效率

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-0069（2020）07-0109-03

引言

隨著我國資源節(jié)約型、環(huán)境友好型現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的實施，我國加快了推進工業(yè)節(jié)能減排工作的步伐，提出了更為嚴(yán)格的硬性要求[1]。而船舶又是全球溫室氣體排放和能源消耗大戶之一。噴水推進作為一種特殊的推進方式，相較于螺旋槳推進具有噪聲小，適應(yīng)工況能力強，機械結(jié)構(gòu)簡單壽命長，抗空泡性能良好，周圍流場穩(wěn)定，高速工況下推進效率較高等優(yōu)點[2]，在一些領(lǐng)域已得到應(yīng)用。雖然其相對于螺旋槳推進有諸多優(yōu)勢，但其存在低速工況下推進效率不足的問題。因此一種既能發(fā)揮噴水推進裝置優(yōu)勢又能解決低速工況下推進效率不足的新型噴水推進裝置非常具有研究意義。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了改進噴水推進在低速工況下效率低的問題，現(xiàn)有的方法主要是從噴水推進器的輸入口進行改進，通過改變泵和葉片的位置結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)推力的改變，但其改善的效果不佳導(dǎo)致噴水推進在低速I況時效率較低的問題仍然存在。因此本裝置提出了一種從噴水推進器輸出口進行改進的方案，將噴水推進器的噴水部分進行改進。

考慮到許多海洋生物在運動時是將自身能量傳遞給周圍的水以引起反沖作用來實現(xiàn)推進的，如圖1所示。為了達到最高的推進效率，這些生物會通過產(chǎn)生徑向擾動改變自身噴水出水口處截面積的大小，通過截面積的收縮使周圍的水以渦環(huán)結(jié)構(gòu)形式存在，以盡可能多地帶走水的質(zhì)量和沖量。且通過科學(xué)家的實驗表明，渦環(huán)對質(zhì)量和動量的輸送能力要大于等量的直流液體[3]。因此為了提高噴水推進器在低速工況效率低的問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，本裝置利用仿生學(xué)的原理采用一種徑向擾動式渦環(huán)產(chǎn)生機構(gòu)來幫助本推進裝置能夠較大地改善低速工況下的噴水推進效率，提高能量利用效率。

結(jié)合上述分析，本裝置采用從噴水輸出口添加一種基于仿生學(xué)的徑向擾動式渦環(huán)產(chǎn)生機構(gòu)進行改進。在總體結(jié)構(gòu)上，本裝置主要包括進水加速模塊、渦環(huán)發(fā)生模塊和輔助模塊（轉(zhuǎn)向模塊和倒車模塊），整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本裝置的工作原理為：裝置進水口周圍的水流在經(jīng)過進水加速模塊驅(qū)動后被吸入到推進器中加速和整流。加速和整流后形成的高速直流接著經(jīng)過渦環(huán)發(fā)生模塊，并由渦環(huán)發(fā)生模塊產(chǎn)生的徑向擾動進一步加速。再次加速的水流不斷沖擊前面水流，最終在漸縮噴口處由于剪切作用卷曲形成連續(xù)渦環(huán)，通過渦環(huán)對質(zhì)量和動量的輸送能力強的特點來達到高效推進的目的。當(dāng)推進器需要轉(zhuǎn)向和倒車時可以通過輔助模塊幫助其實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

接下來依次對本裝置的各個模塊進行功能、結(jié)構(gòu)、工作原理以及創(chuàng)新點的分析。

（一）進水加速模塊設(shè)計

進水加速模塊作為推進器的動力源，其功用為將外界水泵入裝置中并對其加速和整流。在結(jié)構(gòu)上，進水加速模塊主要由進水口、進水口擋板、加速葉輪、整流葉輪、傳動軸、驅(qū)動電機、聯(lián)軸器等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在動力傳輸方面，傳動軸作為進水加速模塊的核心動力傳遞裝置，左邊依次連接聯(lián)軸器和驅(qū)動電機，右邊依次連接加速葉輪以及整流葉輪。

進水加速模塊的工作原理為：驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器和傳動軸帶動加速葉輪和整流葉輪。當(dāng)水流進入進水口后由加速葉輪加速，再經(jīng)過整流葉輪使得流體的旋轉(zhuǎn)運動的能量全部轉(zhuǎn)換成向后運動的能量，同時消除了傾倒力矩，得到同一截面上的水流速度相同且能滿足能被擾流條件的高速直流。

本裝置的進水加速模塊和傳統(tǒng)的噴水推進器的進水模塊最主要的區(qū)別在于添加了一個單獨的整流葉輪，使得新型裝置能夠更好地消除進水傾倒力矩，得到高速直流。若加速葉輪損壞，整流葉輪還可在一定程度幫助實現(xiàn)水流的吸入加速，為進水加速模塊的穩(wěn)定工作提供一定保障。此外進水口在設(shè)計上為L形，其目的是將船底水流自然導(dǎo)入葉輪。進水口擋板則用于防止固體雜質(zhì)進入進水加速模塊，維持裝置的正常工作。

（二）渦環(huán)發(fā)生模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

渦環(huán)發(fā)生模塊是本裝置的核心模塊，其設(shè)計的目的在于提升噴水推進時水流對質(zhì)量和動量的輸送能力，改善傳統(tǒng)噴水推進低速工況效率低的問題，提升低速工況下的推進效率。

對比現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，，目前基于水母，烏賊等利用渦環(huán)推進的水下生物的仿生研究已經(jīng)開展很多了，其相應(yīng)的各種基于渦環(huán)原理的仿生機器人也被制作出來。但這些仿生式的水下推進方式大多采用的是一吸一噴式的渦環(huán)產(chǎn)生機構(gòu)，通過記憶合金或者推板實現(xiàn)水流的加速產(chǎn)生渦環(huán)，在結(jié)構(gòu)和推進效率上存在著非常明顯的不足：

1.機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜：大多采用形狀記憶合金和柔性材料以模仿生物腔體的收縮擴張，在機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的同時既增加了噴水推進器的高昂成本也在一定程度上增加了水流在噴水推進器中的沿流損失，因而該結(jié)構(gòu)不適用于噴水推進器的推廣應(yīng)用。

2.推進不穩(wěn)定：由于采用腔體擴張吸水，腔體收縮噴水的機構(gòu)，在吸水過程中推進力為零，甚至產(chǎn)生負推力，而噴水過程推進力又很快達到峰值，在實際應(yīng)用，上非常不便。傳統(tǒng)的渦環(huán)大多數(shù)都是由推板推動靜態(tài)的流體形成的，其渦環(huán)產(chǎn)生機構(gòu)在水流進出口是同口的，如圖4所示，左側(cè)圖為噴水是產(chǎn)生的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，右側(cè)圖為吸水時，渦環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞，裝置推進力為零時的狀態(tài)。這樣的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致渦環(huán)一個一個產(chǎn)生，其裹挾流體，傳輸質(zhì)量流量的效率會受到很大限制。

針對上述問題，我們提出一種基于徑向擾動式的渦環(huán)產(chǎn)生方式，通過對本裝置結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計，在渦環(huán)發(fā)生模塊實現(xiàn)進水口和出水口同向的同時對噴水推進的高速直流進行周期性的徑向擾動，使得一段高速直流可以連續(xù)形成渦環(huán)。

基于這種渦環(huán)產(chǎn)生方式建立了本裝置的渦環(huán)發(fā)生模塊，在結(jié)構(gòu)上，渦環(huán)發(fā)生模塊主要由電推桿、活塞、液壓缸、彈性膜、液壓油組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

渦環(huán)發(fā)生模塊的工作原理為：當(dāng)渦環(huán)發(fā)生模塊工作時，電機帶動電推桿推動活塞，活塞從上止點往下止點運動，液壓缸中液壓油受到擠壓后壓強逐漸上升。當(dāng)液壓油的壓強大于水流的壓強時，由于壓力作用，彈性膜逐漸突起在流道內(nèi)形成同心圓樣式，使得流通截面積變小。當(dāng)活塞運動到下止點時，凸起達到最大值，此時流通截面積最小。當(dāng)通過進水加速模塊加速和整流水流經(jīng)過縮小后的截面后，會受到由彈性膜產(chǎn)生的徑向擾動再次被加速形成細長高速水流柱，并對前方未加速的水流柱形成軸向沖擊。被沖擊的水流在漸縮噴口處由于剪切作用卷曲形成渦環(huán)?；钊竭_下止點并維持一段時間后返程，液壓腔內(nèi)形成負壓，彈性膜回落，渦環(huán)間通過普通射流銜接。當(dāng)活塞達到上止點，膜完全回落，以此完成一個循環(huán)，連續(xù)產(chǎn)生渦環(huán)。

通過對比傳統(tǒng)的噴水推進器和傳統(tǒng)的渦環(huán)產(chǎn)生裝置可知，本裝置的渦環(huán)發(fā)生模塊具有以下創(chuàng)新點：

1.利用對恒定水流產(chǎn)生周期徑向擾動的方式產(chǎn)生渦環(huán)。這種方式相較于傳統(tǒng)一吸一噴式的渦環(huán)產(chǎn)生方式，實現(xiàn)了渦環(huán)發(fā)生時進出水口同向，使得裝置可以產(chǎn)生連續(xù)的渦環(huán)，推力更趨于穩(wěn)態(tài)，推進效率更高，也讓渦環(huán)在水下推進技術(shù)的實際應(yīng)用更加合理。此外，本裝置還利用渦環(huán)間有普通射流銜接的特點，提高了對渦環(huán)對能動量輸送的效率。如圖6所示，左圖為膜收縮時產(chǎn)生渦環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖;右圖為電推桿回程，膜收縮時渦環(huán)間銜接的普通射流。

2.渦環(huán)產(chǎn)生的大小可以根據(jù)所需的推進效率進行主動調(diào)節(jié)?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)渦環(huán)發(fā)生模塊中電推桿的上下止點來使彈性膜凸起的程度不同，進而產(chǎn)生不同的渦環(huán)大小。此外，本裝置利用徑向擾動式渦環(huán)的持續(xù)高效推進的特點，將其應(yīng)用到噴水推進上，使得噴水推進能夠得到更廣泛的應(yīng)用，以更多地發(fā)揮噴水推進技術(shù)相對螺旋槳推進的諸多優(yōu)勢。

（三）輔助模塊設(shè)計

本裝置的輔助模塊主要包括轉(zhuǎn)向模塊和倒車模塊。轉(zhuǎn)向模塊和倒車模塊用于幫助裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和倒車行駛。

在結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)向模塊主要由電推桿、轉(zhuǎn)向連接件、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向球殼、轉(zhuǎn)向球殼定位軸組成，如圖7所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向模塊工作時，電推桿轉(zhuǎn)動帶動連接件轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向連接件轉(zhuǎn)動后通過矩形槽與轉(zhuǎn)向傳動軸連接，并帶動轉(zhuǎn)向傳動軸轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向傳動軸轉(zhuǎn)動后，通過扭轉(zhuǎn)力矩驅(qū)動與之連接的轉(zhuǎn)向球殼繞著轉(zhuǎn)向球殼定位軸轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向球殼轉(zhuǎn)動后會即會改變推進器噴水的方向，由于推力方向的改變進而實現(xiàn)推進器的轉(zhuǎn)向。

相較于傳統(tǒng)噴水推進通過在尾部添加擋板導(dǎo)流裝置，從擋板左右側(cè)中的一側(cè)進行噴水實現(xiàn)的轉(zhuǎn)向的方式，本裝置的轉(zhuǎn)向方式的結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)速度快，機動性更強。此外本裝置的轉(zhuǎn)向模塊在實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能時不會影響渦環(huán)發(fā)生模塊的正常工作，提高了轉(zhuǎn)向效率。

在結(jié)構(gòu)上，倒車模塊主要由電推桿、傳動軸、倒擋擋板，其中電推桿與推進器固定擋板固定，傳動軸與倒擋擋板固定，帶動倒擋擋板前后運動，如圖8所示。此外倒擋擋板與渦環(huán)發(fā)生器外殼的左右圓柱通過配合連接。當(dāng)需要倒擋運動時，電推桿通過運動將傳動軸放長，此時由于重力因素的影響，倒擋擋板會由于重力作用繞著渦環(huán)發(fā)生器外殼的圓柱轉(zhuǎn)動把擋板放下來擋住推進器的噴水出口，進而根據(jù)噴水的反作用力實現(xiàn)倒擋功能。

相較于傳統(tǒng)噴水推進器的倒車模塊，本裝置的倒車模塊結(jié)構(gòu)更為簡單，所需要的控制電機少，實現(xiàn)起來也更為容易。

二、數(shù)學(xué)模型建立

（一）推進器推力理論分析

一維定常等熵流動噴管的推力由下式給出：

其中e角標(biāo)表示噴管出口截面積參量，角標(biāo)a表示環(huán)境參量。其中，右式第一項稱為動推力，是由于噴射出的公職產(chǎn)生的動量變化率產(chǎn)生的;第二項稱為靜推力，是由噴管出口截面壓強與外界環(huán)境壓強之間的不平衡造成的。

而在渦環(huán)發(fā)生模塊對水流施加徑向擾動后，總推力等于動推力和靜推力之和的結(jié)論已經(jīng)不適用，二者只占總推力的一小部分，另一部分則是施加擾動過后水流的非穩(wěn)態(tài)特性導(dǎo)致在噴管尾部出現(xiàn)回流現(xiàn)象，由于改變了噴口面積，使得噴出的流體質(zhì)量流量下降，從而導(dǎo)致內(nèi)部璧面壓強升高4，故推力應(yīng)通過仿真得到。

（二）推進器效率分析

由于渦環(huán)發(fā)生模塊引入了額外的能源消耗，因而推進器的效率不與推力成正比，需要重新計算。噴射式推進的推進效率定義為：推進功率與單位時間流過噴管的流體獲得的動能增量的比值，即;

其中：v航行速度，Vo質(zhì)量源項的輸出速度

若保持航行速度相同及進流速率相同，則施加擾動與未施加擾動情況下推進效率比為：

v'2為水流軸向速度在管口處積分后取平均方向平均值。T為一個擾動周期，y為噴口半徑。

三、仿真優(yōu)化分析

為了驗證渦環(huán)發(fā)生模塊徑向擾動渦環(huán)的產(chǎn)生原理，并比較其相對于穩(wěn)態(tài)射流的優(yōu)勢，獲取總推力等參數(shù)式，建立數(shù)值仿真模型進行有限元分析仿真模擬[5]。在對實際問題進行建模仿真時，往往會對模型進行合理簡化，來降低計算機硬件配置要求以及計算量。因該裝置呈軸對稱，可采用軸對稱N一S方程求解，搭建其1/2模型，這樣不僅大大降低了網(wǎng)格數(shù)量，減少計算時間，而且還能保證計算的精度。裝置噴口直徑D設(shè)為12.7mm，噴管內(nèi)徑為9D，漸縮噴C角度為7°，噴管長度為6.125D。

利用solidworks軟件推進器的核心模塊一渦環(huán)發(fā)生模塊進行建模，并將其二維平面模型導(dǎo)入Fluent軟件分析渦環(huán)的產(chǎn)生情況[6]。用Fluent軟件進行仿真模擬處理，求解算法選擇PIOS算法，湍流模型選擇大渦模擬（LES），我們在仿真時為了更接近噴水推進器工作狀態(tài)，并未直接設(shè)置進口，而是利用UDF功能在噴管中定義一個質(zhì)量源項，為對比相同流率下的推力，質(zhì)量源項的輸出保持不變。

考慮到外流場壁面可能會對渦環(huán)產(chǎn)生影響，因此外流場邊界應(yīng)當(dāng)足夠遠，根據(jù)參考文獻設(shè)定長度為6500mm[7]。穩(wěn)態(tài)射流時速度云圖及凸起后渦環(huán)形成的云圖如圖9所示。

可以清晰地看到水流在管口卷曲形成渦環(huán)并往前輸送的過程，也符合傳統(tǒng)渦環(huán)產(chǎn)生方式所產(chǎn)生的渦環(huán)過程和形態(tài)8，證明了這種方法的可行性，并且由仿真結(jié)果我們得到了形成渦環(huán)過程中裝置產(chǎn)生的推力曲線。

周期取0.08s，時間步長為0.002s?？梢钥闯鲆粋€擾動周期內(nèi)推力隨時間變化范圍較大，算得一個周期內(nèi)平均推力F為2.4243N;而穩(wěn)態(tài)射流推力約為2.10814N，即相對于穩(wěn)態(tài)射流，每一個擾動周期內(nèi)平均推力增大了14.09%。

將仿真計算中得到的數(shù)據(jù)T=0.08s，T=0.08s，F(xiàn)=114.09%，v;=0.1m/s，v=0.4m/s，以=0.25m2/s，帶入公式（3）得：。-1.103即相對穩(wěn)態(tài)射流，在相同航速和進流流率的情況下，施加擾動后能夠提高約10.3%的效率。

結(jié)論

通過理論計算及仿真分析證明，在低速工況下基于徑向擾動式渦環(huán)的水下推進裝置可以在相同進水流率的情況下，提高14.09%的推進力，在航速不變的情況下提高約10.3%的效率。本裝置實現(xiàn)了進水和出水方向的一致，保持了進水的恒定以及裝置推進的穩(wěn)態(tài)。通過對水流進行周期性的徑向擾動，使得裝置能夠產(chǎn)生連續(xù)的渦環(huán)，且在不產(chǎn)生渦環(huán)的間隙仍有普通射流，較大程度的改善噴水推進在低速工況下效率低的問題，有助于推進噴水推進裝置的應(yīng)用推廣，非常具有節(jié)能意義。.

參考文獻

[1]高奇峰，鄭剛強，陳琛等高端海洋裝備工業(yè)設(shè)計探索——以潛航器設(shè)計為例[J].設(shè)計，2017（09）：18-21.

[2]劉禹章噴水推進裝置在船舶中的應(yīng)用[0].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（27）：165-166.

[3]李健仿生烏賊推進器及其流體動力仿真和實驗研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]張厚臻，余釗圣仿生水母推進的數(shù)值模擬研究[J].水動力研究與進展（A輯），2016（31）：327-333.

[5]張凱，陳晶.基于HypersStudy的某飛機頂部板箱體輕量化設(shè)計[J]設(shè)計，2020，33（09）：23-25.

[6]吳慧蘭.三維打印技術(shù)在工業(yè)設(shè)計模型制作中的應(yīng)用研究[J]設(shè)計，2012（02）：29+28.

[7]張岳脈沖射流非穩(wěn)態(tài)工作過程研究[D].北京理工大學(xué)，2016.

[8]向陽渦環(huán)演化及其物理特征的研究[D]上海：上海交通大學(xué)，2013.