張仲志， 呂建剛， 宋彬， 劉金華， 朱文杰

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 車輛與電氣工程系， 河北 石家莊 050003;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心， 高速空氣動(dòng)力學(xué)研究所， 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引言

兩棲平臺(tái)是重要的交通工具，基于大方形系數(shù)主體結(jié)構(gòu)[1]，其設(shè)計(jì)研究在不斷推進(jìn)。其中，倒車是水上平臺(tái)操縱和避碰的重要方式，是平臺(tái)靈活性和避險(xiǎn)安全性的要求[2-3]。但是大方形系數(shù)平臺(tái)以應(yīng)用噴水推進(jìn)器為主，實(shí)現(xiàn)倒車需要增加倒車斗和側(cè)面水槽等機(jī)構(gòu)，致使結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4-5]，而且現(xiàn)階段仍無針對(duì)性的兩棲平臺(tái)倒車性能分析，相關(guān)研究亟待開展。

首先，從推進(jìn)器設(shè)計(jì)出發(fā)，可以從源頭上簡(jiǎn)化兩棲平臺(tái)倒車機(jī)構(gòu)。且近年來，仿生設(shè)計(jì)快速發(fā)展，為推進(jìn)器發(fā)展帶來了靈感。模仿海龜蹼狀肢的水中運(yùn)動(dòng)能力，Georgiades等[6]設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)式單板推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)了水上平臺(tái)的推進(jìn)和方向控制；模仿蛇類的鰻狀游動(dòng)，以細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)蜿蜒運(yùn)動(dòng)提供推進(jìn)力，Komura等[7]設(shè)計(jì)了ACM-R8平臺(tái)；模仿魚的胸部對(duì)鰭作用，Behbahani等[8]通過活動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了仿生胸鰭，以角度的變化增強(qiáng)了機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)能力。多種推進(jìn)模式仿生已初步完成，正進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到性能接近甚至超越。

其次，船舶螺旋槳等傳統(tǒng)推進(jìn)器的研究可以為兩棲平臺(tái)的倒車性能分析提供參照。甘品章等[9]通過試驗(yàn)研究獲得了雙槳船舶螺旋槳旋向和單雙機(jī)工況對(duì)倒車性能的作用規(guī)律；丁江明等[10]通過數(shù)值求解雷諾平均(RANS)方程，得到了5 葉調(diào)距槳最大倒車螺距時(shí)鎖軸工況的拖槳阻力；郭春雨等[11]建立流體動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了不同進(jìn)速系數(shù)下吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)系數(shù)和扭矩系數(shù)；馬聘等[12]通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法和敞水試驗(yàn)，研究了低噪聲多葉耦合螺旋槳的空泡性能和推進(jìn)效率。由上述可知，數(shù)值計(jì)算和敞水試驗(yàn)是兩棲平臺(tái)推進(jìn)器倒車性能分析的主要方法。

因此，本文基于蛇怪蜥蜴踏水奔跑運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)水面仿生矢量推進(jìn)器，提出一種新型倒車方式，簡(jiǎn)化兩棲平臺(tái)倒車機(jī)構(gòu)；同時(shí)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算和敞水試驗(yàn)，開展倒車性能研究，分析運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推進(jìn)器倒車性能的影響，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 倒車方式及平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

以平板葉片代替蛇怪蜥蜴腳掌，基于平板旋轉(zhuǎn)繞流模仿其往復(fù)踏水，設(shè)計(jì)的水面矢量推進(jìn)器如圖1所示，其中，ω為推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，θ為葉片與輪輻的夾角。推進(jìn)器由輪轂、輪輻、伸縮桿和葉片組成。蛇怪蜥蜴的一個(gè)踏水周期分為下踏、后劃和回收3個(gè)階段，推進(jìn)器通過葉片的固體與液體(簡(jiǎn)稱固液)作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腳掌入水產(chǎn)生氣穴、氣穴中后劃、出水位于氣穴中減阻的階段特征模仿，如圖2中氣體與液體兩相分布所示[13]。

同時(shí)，推進(jìn)器通過葉片正轉(zhuǎn)拍擊水面，輸出了托舉力、推進(jìn)力和轉(zhuǎn)矩三維驅(qū)動(dòng)；由伸縮桿長(zhǎng)短變化調(diào)節(jié)葉片與輪輻的夾角θ，實(shí)現(xiàn)了托舉力和推進(jìn)力的合力角度的矢量控制；驅(qū)動(dòng)水面平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了由排水至大攻角滑水的航態(tài)轉(zhuǎn)變，如圖3所示，為平臺(tái)減阻提速提供了新思路[13-14]。本文將在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)展推進(jìn)器的應(yīng)用和性能分析。

1.2 倒車設(shè)計(jì)

首先，為簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的由倒車斗、側(cè)面水槽輔助的倒車機(jī)構(gòu)，提出了矢量推進(jìn)器的反向轉(zhuǎn)動(dòng)倒車方式，如圖4所示。通過葉片旋轉(zhuǎn)繞流，獲取下壓力、倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩，主要參數(shù)：輪輻(含輪轂)長(zhǎng)度0.050 m，葉片夾角60°，葉片尺寸0.060 m×0.050 m×0.005 m.

結(jié)合圖4分析倒車?yán)Ξa(chǎn)生機(jī)理，設(shè)葉片上任意一點(diǎn)A點(diǎn)距離中心O點(diǎn)的距離為r，A點(diǎn)和中心點(diǎn)的連線與x軸之間夾角為α，推進(jìn)器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。A點(diǎn)入水后，在輪軸下方α由180°向0°減小，存在x軸正向的水平運(yùn)動(dòng)速度|ωrcosα|，因此由點(diǎn)組成的平板受到流場(chǎng)的反作用力，產(chǎn)生了x軸負(fù)向的倒車?yán)Α?/p>

由此可見，推進(jìn)器反轉(zhuǎn)方式能夠輸出倒車?yán)?，?jiǎn)化了倒車運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，并可以通過車輪式側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向倒車。同時(shí)，利用下壓力和轉(zhuǎn)矩，能夠增加平臺(tái)的吃水深度、調(diào)節(jié)平臺(tái)攻角，提高緊急倒車時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

然后，基于推進(jìn)器垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的路面車輪式驅(qū)動(dòng)輸出方式，結(jié)合輪式車輛車輪和矢量推進(jìn)器結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)了一種兩棲平臺(tái)，如圖5所示。其中，一對(duì)矢量推進(jìn)器位于平臺(tái)后輪，通過推進(jìn)器的展開和折回變化，實(shí)現(xiàn)了水陸兩種環(huán)境下推進(jìn)裝置轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了平臺(tái)結(jié)構(gòu)。平臺(tái)主體尺寸為0.65 m×0.25 m×0.05 m.

兩棲平臺(tái)詳細(xì)轉(zhuǎn)換方式：在路面行駛時(shí)，推進(jìn)器葉片收縮于車輪內(nèi)部，推進(jìn)器整體作為輪轂和輪輻支撐車體載荷；在水上航行時(shí)，推進(jìn)器沿輪軸向外移出，同時(shí)葉片展開，驅(qū)動(dòng)車體運(yùn)動(dòng)。

1.3 倒車試驗(yàn)

直線倒車和轉(zhuǎn)向倒車是平臺(tái)水上倒車靈活性的直接體現(xiàn)。于是，采用設(shè)計(jì)尺寸裝配了兩棲平臺(tái)水上樣機(jī)，如圖6(a)所示，并結(jié)合陀螺儀和NEO-6M GPS模塊測(cè)試矢量推進(jìn)器的倒車性能。

首先，進(jìn)行了兩棲平臺(tái)樣機(jī)直線倒車試驗(yàn)，推進(jìn)器反向轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生了指向平臺(tái)首端的水花，如圖6(b)所示，運(yùn)動(dòng)過程中的速度和縱傾角曲線如圖6(c)和圖6(d)所示。

由圖6(c)和6(d)可看出，在6 s時(shí)推進(jìn)器反轉(zhuǎn)倒車，速度在2 s時(shí)間內(nèi)快速提高，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，速度均值為0.68 m/s，縱傾角經(jīng)過3 s時(shí)間的振蕩，最終穩(wěn)定在-1°～-2°. 小負(fù)縱傾角產(chǎn)生是因?yàn)榉崔D(zhuǎn)力矩下壓平臺(tái)前側(cè)，大底面積的平臺(tái)小角度縱傾以平衡該轉(zhuǎn)矩；下壓力和下壓轉(zhuǎn)矩的存在，增加了吃水深度，提高了倒車時(shí)平臺(tái)的穩(wěn)定性。

然后，進(jìn)行了平臺(tái)樣機(jī)轉(zhuǎn)向倒車試驗(yàn)，兩個(gè)推進(jìn)器車輪式同側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)20°，水花向側(cè)方濺出，如圖7(a)所示，軌跡如圖7(b)所示。由圖7(c)的速度曲線可看出，平臺(tái)在6 s時(shí)間內(nèi)，以0.50 m/s勻速，實(shí)現(xiàn)了0.75 m小半徑的快速倒車轉(zhuǎn)向。倒車轉(zhuǎn)向直徑與車長(zhǎng)比值為2.31，比雙螺旋槳客貨輪減小了60.2%[9].

樣機(jī)試驗(yàn)證明，水面矢量推進(jìn)器能夠?qū)崿F(xiàn)兩棲平臺(tái)快速、靈活的倒車航行。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)倒車控制，開展數(shù)值計(jì)算，分析平臺(tái)參數(shù)對(duì)倒車性能的影響。

2 流體動(dòng)力學(xué)模型

首先由葉片微元推導(dǎo)推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)輸出的影響參數(shù)，然后建立推進(jìn)器倒車的流體動(dòng)力學(xué)模型，最后進(jìn)行模型的網(wǎng)格無關(guān)性分析。

2.1 理論分析

將推進(jìn)器葉片拍擊水面的固液作用簡(jiǎn)化為平板旋轉(zhuǎn)繞流的問題，位于圖8所示位置時(shí)，在葉片微元dS上，產(chǎn)生正向力dD、法向力dT和繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩dM[15]：

dD=0.5CDρu2dS，

(1)

dT=0.5CTρu2dS，

(2)

dM=MdT+MdD，

(3)

式中：CD、CT分別為正向力和法向力系數(shù)；ρ為流體密度；u為來流速度；dS為微元面積；MdT、MdD分別為正向力和法向力對(duì)輪軸的轉(zhuǎn)矩。

圖8中dF為正向力dD和法向力dT的合力，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和正交分解，微元dS受到的作用可表示為倒車?yán)Fx、下壓力dFy和轉(zhuǎn)矩dM：

dFx=dTsinγ+dDcosγ，

(4)

dFy=dTcosγ-dDsinγ，

(5)

dM=dFxbsinβ+dFybcosβ=

dTbcos (γ-β)+dDbsin (β-γ)，

(6)

式中：γ為正向力與水平軸的夾角；β為微元與輪軸連線的轉(zhuǎn)角；b為微元到轉(zhuǎn)軸的力臂。

推進(jìn)器的三維驅(qū)動(dòng)輸出可由葉片微元積分求和獲得。由(1)式～(6)式可得：三維驅(qū)動(dòng)輸出是u、β的函數(shù)，而速度u與推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和輪輻長(zhǎng)度相關(guān)；β與葉片輪輻夾角相關(guān)，同時(shí)推進(jìn)器距水面的高度是流場(chǎng)變化的重要影響因素。

2.2 模型建立

建立流體動(dòng)力學(xué)模型，分析推進(jìn)器結(jié)構(gòu)位置參數(shù)(輪輻長(zhǎng)度l、輪軸距水面高度h和葉片夾角θ)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)(轉(zhuǎn)速ω)對(duì)力學(xué)性能的影響，相關(guān)參數(shù)如圖9所示。

推進(jìn)器反向轉(zhuǎn)動(dòng)倒車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但葉片出入水運(yùn)動(dòng)和氣穴尾流變化導(dǎo)致流場(chǎng)復(fù)雜，因此結(jié)合壓力隱式算子分割(PISO)算法，基于重正化群(RNG)k-ε模型[16]，針對(duì)葉片固液作用產(chǎn)生的非定常湍流，開展數(shù)值計(jì)算。模型中，湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε可表示為

(7)

(8)

同時(shí)，以主體部分葉片簡(jiǎn)化推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，建立流體動(dòng)力學(xué)三維模型。其中，選用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格長(zhǎng)度從推進(jìn)器向中心處0.10 m寬和0.11 m半徑的圓柱體區(qū)域，以1.1比例由0.005 m至0.010 m增加，然后以1.2的比例向3 m×1 m×1 m的大計(jì)算域邊界增加至0.1 m；計(jì)算域四周采用壁面邊界條件，頂面為壓力出口邊界條件，應(yīng)用流體體積函數(shù)(VOF)兩相流模型，推進(jìn)器位于水面，如圖10所示。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

為準(zhǔn)確獲取力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能分析，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析。模型計(jì)算基本參數(shù)：逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，葉片與輪輻固定角θ為60°，輪輻(含輪轂)長(zhǎng)度l為0.050 m，葉片尺寸為0.060 m×0.050 m×0.005 m，轉(zhuǎn)速ω為1 r/s.

由密到疏進(jìn)行了3種網(wǎng)格設(shè)置，尺寸如表1所示，推進(jìn)器下壓力、倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩三維驅(qū)動(dòng)的力學(xué)特性數(shù)值計(jì)算曲線如圖11所示。

由圖11可看出：3種網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的下壓力和倒車?yán)η€基本重合；轉(zhuǎn)矩差值相對(duì)較大，除瞬態(tài)脈沖點(diǎn)外其余數(shù)值最大差值在0.04 s處，密網(wǎng)格、中網(wǎng)格相對(duì)于疏網(wǎng)格最大相差了7.7%，變化趨勢(shì)相同；在入水拍擊的瞬態(tài)脈沖處密網(wǎng)格、中網(wǎng)格相對(duì)于疏網(wǎng)格最大相差了15.4%和6.7%，但瞬態(tài)值對(duì)整體分析影響較?。欢糜诹W(xué)性能分析的特征值(1 s時(shí)間內(nèi)作用力平均值)，密網(wǎng)格、中網(wǎng)格與疏網(wǎng)格的轉(zhuǎn)矩相差相對(duì)較大，分別為4.6%和1.8%.

表1 網(wǎng)格設(shè)置

由此可見，誤差在允許范圍內(nèi)，但密網(wǎng)格較疏網(wǎng)格的網(wǎng)格長(zhǎng)度減小了1/2，計(jì)算時(shí)間卻增大為原來的5倍，因此考慮時(shí)間成本而選用疏網(wǎng)格。

綜上所述，建立了推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)模型，并驗(yàn)證了模型網(wǎng)格的準(zhǔn)確性。

3 性能分析

矢量推進(jìn)器通過反轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單靈活的倒車運(yùn)動(dòng)。為開展倒車控制，基于流體動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)位置參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分析系泊條件下倒車運(yùn)動(dòng)的下壓力、倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩力學(xué)特性；然后提取特征值，繪制三維輸出曲線，研究倒車性能的變化規(guī)律。基本參數(shù)：推進(jìn)器輪軸距水面高度h為0 m，葉片與輪輻固定角θ為60°，輪輻長(zhǎng)度l為0.050 m，葉片尺寸為0.060 m×0.050 m ×0.005 m，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速ω為1 r/s.

3.1 周期性分析

推進(jìn)器系泊定轉(zhuǎn)速條件下，葉片周期性拍擊水面，同正轉(zhuǎn)情況[14]，產(chǎn)生了周期性的下壓力、倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩三維輸出，其中一個(gè)周期內(nèi)的輸出曲線如圖12所示。由圖12可看出：在0 s時(shí)，下壓力取得最小值，倒車?yán)θ〉米畲笾?；?.125 s時(shí)，下壓力取得最大值，倒車?yán)θ〉米钚≈?，下壓力與倒車?yán)Σǚ?、波谷相位相差約180°.

作用力相位角差值是由葉片與水流的固液耦合作用旋轉(zhuǎn)變化引起的。其中，由圖13(a)可看出：0 s時(shí)，一個(gè)周期從輪輻位于水平和豎直位置開始，水中左側(cè)葉片下壓，右側(cè)葉片上提，豎直方向作用力相互抵消，因而合成的下壓力數(shù)值較小，同時(shí)兩個(gè)葉片均向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，倒車?yán)θ〉梅逯怠?/p>

由圖13(c)和圖13(d)可看出：進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)，在0.125 s附近時(shí)，水中左側(cè)葉片下壓結(jié)束后，兩個(gè)葉片均上提，反作用的下壓力取得峰值，同時(shí)右側(cè)葉片右轉(zhuǎn)趨勢(shì)不明顯，只有左下側(cè)葉片右轉(zhuǎn)，推進(jìn)力取得最小值。

由圖13(e)和圖13(f)可看出：在兩個(gè)葉片完全浸沒水中時(shí)，轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值較小，當(dāng)右側(cè)葉片與水還未脫離，左側(cè)葉片已入水時(shí)，3個(gè)葉片與水相互作用，作用面積較大，轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值較大。

3.2 輪軸高度

輪軸高度同時(shí)面臨主動(dòng)調(diào)節(jié)和波浪起伏被動(dòng)變化。因此，參考葉片最外端距輪軸中心的距離0.11 m，設(shè)置輪軸高度h從-0.20 m(浸沒水中)至0.11 m(出水)調(diào)整，其中7個(gè)高度下的力學(xué)特性曲線如圖14所示。

由圖14可看出，從-0.03 m開始，隨著輪軸升高，下壓力波峰時(shí)間提前，倒車?yán)Σǚ鍟r(shí)間推后。這是因?yàn)橄聣毫Ψ逯蹬c葉片到達(dá)水面出水時(shí)間對(duì)應(yīng)，倒車?yán)Ψ逯蹬c葉片入水時(shí)間對(duì)應(yīng)，如圖12所示。隨輪軸升高，輪輻水平位置開始轉(zhuǎn)動(dòng)，出水時(shí)間提前，同時(shí)入水時(shí)間推后，其中輪軸高度由-0.02 m增加至0 m和0.02 m，葉片完全拍擊入水的轉(zhuǎn)角依次后延了18°，如圖15中兩相流分布所示。

以1 s時(shí)間內(nèi)下壓力、倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩的平均值作為特征值，繪制力學(xué)性能隨輪軸高度變化曲線，如圖16所示。由圖16可知：下壓力由負(fù)值增大為正值后減?。坏管?yán)ο仍龃?、后減小；轉(zhuǎn)矩單調(diào)遞減，是因?yàn)橄嗷プ饔玫乃黧w積隨輪軸抬高而減少；推進(jìn)器完全浸沒水下時(shí)，三維輸出性能相對(duì)穩(wěn)定。

其中，倒車?yán)υ趆=0 m附近最大，是因?yàn)槿~片水中右劃輸出倒車?yán)ΓS輪軸高度提升，則水中右劃的行程減小，如圖15(c)所示，隨輪軸高度下降，則增加了葉片位于輪軸之上時(shí)的向左劃動(dòng)行程，產(chǎn)生反向推進(jìn)力抵消了倒車?yán)Α?/p>

3.3 輪輻長(zhǎng)度

輪輻(含輪轂)長(zhǎng)度l從0.02 m依次增加0.02 m至0.10 m，得到了5組倒車輸出特性曲線如圖17所示。由圖17可看出，隨著輪輻長(zhǎng)度增加，三維驅(qū)動(dòng)輸出數(shù)值增大。

單調(diào)遞增是因?yàn)橥D(zhuǎn)速下，葉片上任一點(diǎn)的速度隨著輪輻長(zhǎng)度增加而提高，增加了與水流的固液作用強(qiáng)度，如圖18所示，輪輻長(zhǎng)度從0.02 m增加至0.06 m和0.10 m，左下側(cè)入水葉片和右下側(cè)葉片均有約250 Pa的壓強(qiáng)增加。

(9)

3.4 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速的提高增加了固液作用的頻率，轉(zhuǎn)速由1 r/s向7 r/s增加，倒車性能如圖20所示。由圖20可看出：下壓力、倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩分別由1 r/s時(shí)0.43 N、0.42 N、0.072 N·m增加至7 r/s時(shí)6.07 N、4.46 N、1.203 N·m；三維倒車輸出隨著轉(zhuǎn)速增加而快速增加，輸出值存在較大的調(diào)節(jié)范圍。

與推進(jìn)器正轉(zhuǎn)的水平作用力數(shù)值對(duì)比：同轉(zhuǎn)速下，2 r/s時(shí)倒車?yán)?shù)值較正轉(zhuǎn)推進(jìn)力數(shù)值減小了40.7%，且隨著轉(zhuǎn)速提高，水平力數(shù)值的減小幅度逐漸增加[14]。這是因?yàn)槿~片反轉(zhuǎn)出水時(shí)，將水流向前側(cè)帶出顯著，反作用力抵消了倒車?yán)?，如圖21中正反轉(zhuǎn)兩相分布所示。但是轉(zhuǎn)動(dòng)過程中葉片與水流的作用強(qiáng)度并沒有減小，所以轉(zhuǎn)矩變化不大。

3.5 葉片夾角

葉片夾角從0°至90°變化，倒車性能曲線如圖22所示。由圖22可看出，隨著角度增大，下壓力數(shù)值先增大、后減小，倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩單調(diào)遞減。其中，轉(zhuǎn)矩與作用強(qiáng)度相關(guān)，由于夾角0°時(shí)葉片垂直于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向，與水流作用劇烈，隨著夾角增大，葉片外邊在轉(zhuǎn)動(dòng)的前側(cè)，緩沖了固液作用，轉(zhuǎn)矩單調(diào)遞減。

下壓力和倒車?yán)Φ淖兓厔?shì)不同，所以可通過葉片夾角變化調(diào)節(jié)總作用力的矢量輸出角，進(jìn)行倒車控制，矢量輸出角隨著葉片夾角的變化如圖23所示。由圖23可看出：隨著葉片夾角增大，推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)力矢量輸出角單調(diào)遞增。

倒車?yán)槠脚_(tái)倒車的主要驅(qū)動(dòng)因素，下壓力和反轉(zhuǎn)力矩能夠增加倒車運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。由圖22可看出，以提高倒車效率為目標(biāo)時(shí)，需增大倒車?yán)Γ嵌仍叫≡胶谩?/p>

4 推進(jìn)器敞水試驗(yàn)

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的正確性，本文搭建了推進(jìn)器系泊定軸轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)由導(dǎo)軌、推進(jìn)器、水平力傳感器、滑塊、傳動(dòng)系統(tǒng)、豎直力傳感器和高速攝像機(jī)組成，如圖24所示。其中：水槽邊界尺寸為0.80 m×0.60 m×0.40 m；水平拉壓力傳感器量程為1 kg，精度為0.03%FS；豎直拉壓力傳感器量程為3 kg，精度為0.03%FS；數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為NI PXIe-6368，每通道最大傳輸速率為2 MS/s.

進(jìn)行了定轉(zhuǎn)速條件下的反轉(zhuǎn)倒車系泊試驗(yàn)，首先由高速攝像機(jī)捕捉了2.5 r/s轉(zhuǎn)速下推進(jìn)器作用區(qū)域的水和空氣分布，如圖25所示。在2.5 r/s轉(zhuǎn)速下，1 s時(shí)間內(nèi)10個(gè)葉片與水流相互作用，一個(gè)固液作用周期為0.1 s.

由圖25可看出：氣穴前側(cè)的深色直線即為葉片，入水時(shí)氣穴生成并逐漸擴(kuò)展，生成了白色氣穴邊界和葉片之間的負(fù)壓區(qū)域，如圖25(a)～圖25(c)圈中所示；葉片完全入水后，隨著其向右劃動(dòng)，氣穴逐漸減小，與仿真計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間的兩相變化一致，如圖26所示。

進(jìn)一步通過拉壓力傳感器測(cè)得了推進(jìn)器ω=2.5 r/s轉(zhuǎn)速下的下壓力和倒車?yán)υ囼?yàn)曲線，如圖27所示。試驗(yàn)和計(jì)算的作用力數(shù)值變化周期性一致，下壓力試驗(yàn)值較計(jì)算值小7.2%，倒車?yán)υ囼?yàn)值較計(jì)算值小7.7%，符合較好。計(jì)算值與試驗(yàn)值存在誤差，是因?yàn)橥七M(jìn)器倒車轉(zhuǎn)動(dòng)過程中水池壁面的回波干擾。

最后測(cè)得了不同轉(zhuǎn)速下的倒車性能曲線，與計(jì)算值對(duì)比如圖28所示。試驗(yàn)值與計(jì)算值隨著轉(zhuǎn)速增大而增大的趨勢(shì)一致，但是隨著轉(zhuǎn)速增大差值有所增大，但是都小于20%，在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了流體動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

為簡(jiǎn)化大方形系數(shù)兩棲平臺(tái)的倒車機(jī)構(gòu)，本文基于水面矢量推進(jìn)器，提出了一種簡(jiǎn)單靈活的倒車方式，設(shè)計(jì)了新型兩棲平臺(tái)；進(jìn)一步基于RNGk-ε湍流方程，建立流體動(dòng)力學(xué)模型，分析了推進(jìn)器的倒車性能，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。得到結(jié)論如下：

1) 矢量推進(jìn)反向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了兩棲平臺(tái)0.7 m/s直線和0.75 m半徑轉(zhuǎn)向倒車，轉(zhuǎn)向直徑與車長(zhǎng)比值為2.31，較雙螺旋槳客貨輪減小了60.2%.

2) 推進(jìn)器反轉(zhuǎn)倒車輸出下壓力、倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩三維驅(qū)動(dòng)，呈周期性變化，與轉(zhuǎn)動(dòng)的角度位置相對(duì)應(yīng)。

3) 隨著輪軸高度增加，下壓力和倒車?yán)ο仍龃?、后減小，轉(zhuǎn)矩單調(diào)遞減；下壓力和倒車?yán)﹄S著輪輻長(zhǎng)度線性變化，轉(zhuǎn)矩與輪輻長(zhǎng)度呈二次函數(shù)關(guān)系；隨著轉(zhuǎn)速提高，三維輸出單調(diào)遞增，水流的反向帶出是倒車?yán)^正車推力值減小的原因；隨著葉片夾角增大，下壓力數(shù)值先增大、后減小，倒車?yán)娃D(zhuǎn)矩單調(diào)遞減，推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)力矢量輸出角單調(diào)遞增。

4) 試驗(yàn)中氣穴生成與潰散過程與數(shù)值計(jì)算一致，力學(xué)性能變化相對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型的正確性。