李森茂，管殿柱*，趙大剛，夏 濤，季建華

（1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071；2.自然資源部海洋生態(tài)環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266061）

0 引言

近年來，隨著全球石油價(jià)格的逐漸上升以及人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，風(fēng)能、太陽能和潮汐能等清潔能源引起了各行各業(yè)的關(guān)注。同時(shí)，海洋面臨著海水富營(yíng)養(yǎng)化、酸化和缺氧等一系列問題[1]。以風(fēng)能為動(dòng)力的無人帆船具備在海上長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行的能力，可以用來調(diào)查海洋資源和環(huán)境監(jiān)測(cè)[2]，也可以用在海岸巡邏、海洋取樣和氣象調(diào)查等方面[3]。無人帆船在海洋實(shí)際應(yīng)用方面具有較大的潛力，為海洋立體綜合觀測(cè)、海洋環(huán)境安全保障提供觀測(cè)技術(shù)方法與先進(jìn)平臺(tái)支持[4]。但是，傳統(tǒng)帆船的柔性帆在面對(duì)海洋惡劣的環(huán)境以及無人帆船長(zhǎng)航時(shí)，大范圍，高壽命的設(shè)計(jì)要求時(shí)[5]，其局限性越來越明顯。主要原因有：1）在理想攻角下，柔性帆最大升力系數(shù)在0.8左右[6]，實(shí)際航行中，最大升力系數(shù)在0.6～0.7之間，升力系數(shù)較?。?）當(dāng)帆側(cè)迎風(fēng)時(shí)，柔性帆容易發(fā)生空氣彈性變形[7]；3）不易操縱船帆轉(zhuǎn)變攻角[8]。針對(duì)傳統(tǒng)帆船柔性帆的不足，研究人員研發(fā)了一種帶有襟翼的剛性翼帆無人帆船[5][9]，其無人帆船三維模型如圖1所示。

圖1 無人帆船示意圖

此種無人帆船的動(dòng)力裝置為剛性翼帆，翼帆包含主帆和襟翼，主帆為無人帆船提供主要的動(dòng)力，襟翼用來控制主帆的轉(zhuǎn)向[10]。在翼帆上安裝有襟翼執(zhí)行器等智能控制系統(tǒng)，當(dāng)微氣象儀檢測(cè)到風(fēng)向和風(fēng)速突然變化時(shí)，通過啟動(dòng)襟翼執(zhí)行器調(diào)整襟翼的角度，在力矩的作用下，使主帆自動(dòng)調(diào)整到最佳迎風(fēng)角，不需要專門的轉(zhuǎn)向裝置控制主帆的旋轉(zhuǎn)。采用剛性翼帆，使得船帆具有穩(wěn)定的外形、氣動(dòng)效果好、升力系數(shù)大、響應(yīng)速度快、良好的結(jié)構(gòu)和安全特性等優(yōu)點(diǎn)[11]。剛性翼帆彌補(bǔ)了傳統(tǒng)柔性帆升力系數(shù)小、易變形、不易控制轉(zhuǎn)向等方面的不足，具有較好的應(yīng)用前景。本文運(yùn)用Fluent軟件和ANSYS Workbench軟件對(duì)剛性翼帆的氣動(dòng)性能進(jìn)行分析研究，為無人帆船的推力優(yōu)化和自主航行控制提供了性能數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目是航空理論在航海領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于探索海洋具有重要的意義。

1 翼帆的參數(shù)化處理與配置方案分析

1.1 參數(shù)化處理

帆船主帆既要承受左舷來風(fēng)，又要承受右舷來風(fēng)，因此要求主帆是對(duì)稱的翼型，NACA0021翼型[12]具有良好的升阻比性能以及較大的失速攻角，將其設(shè)置為主帆翼型，襟翼選用NACA0018翼型[13]。為了便于分析，在考慮升力系數(shù)、升阻比、氣動(dòng)中心等要求的情況下，將翼帆視為一個(gè)單獨(dú)的模型。在SolidWorks中將翼帆設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置為全局變量“DS_D_”的形式，實(shí)現(xiàn)了SolidWorks與ANSYS之間的參數(shù)連接。

1.2 不同配置的翼帆

如圖2所示為3種初步設(shè)計(jì)的翼帆配置方案[14]。A型翼帆是與飛機(jī)機(jī)翼類似的常規(guī)翼帆，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。B型翼帆的主帆外形為錐形，采用錐形可以降低主帆根部的彎曲載荷并降低重心。C型翼帆是裝配了集成到主帆上的襟翼[15]，一體式結(jié)構(gòu)增加了翼帆的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并且減小了翼帆的旋轉(zhuǎn)半徑。

圖2 不同的翼帆配置

不同配置翼帆的設(shè)計(jì)參數(shù)以及翼帆的氣動(dòng)性能參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)及翼帆氣動(dòng)性能參數(shù)

如圖3所示，桅桿Q設(shè)在主帆弦長(zhǎng)的1/4處，b為主帆翼展、ct為翼尖弦、cr為翼根弦，翼帆配備一個(gè)襟翼，距離桅桿的長(zhǎng)度為d1，高度為d，襟翼的翼展b`和弦c`長(zhǎng)與主帆成比例，主帆的氣動(dòng)中心用一個(gè)紅色的點(diǎn)標(biāo)出。

圖3 設(shè)計(jì)參數(shù)

定義主帆展弦比AR為：

根據(jù)翼尖弦和翼根弦之間的關(guān)系定義錐度比τ為：

前傾角φ如圖2(C)所示，氣動(dòng)中心AC的位置用它的高度位置與主帆翼展長(zhǎng)度的百分比表示。

2 翼帆的氣動(dòng)性能研究

2.1 模型的建立

翼帆主帆翼展為1800mm，弦長(zhǎng)為450mm，襟翼的大小初步設(shè)置為主帆大小的10%[16]。

2.2 網(wǎng)格劃分

如圖4所示，在Fluent軟件中設(shè)置流體域的上下邊界為15倍的弦長(zhǎng)，左右邊界為35倍的弦長(zhǎng)。為了保證近壁面處的計(jì)算精度，對(duì)翼型表面區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

圖4 網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

為了在提高計(jì)算效率的同時(shí)保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在流場(chǎng)風(fēng)速為8m/s，攻角為10°的情況下，選用SST k-外流場(chǎng)模型對(duì)主帆進(jìn)行CFD分析，得到不同網(wǎng)格數(shù)目下的翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)。網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，由表2可知，當(dāng)網(wǎng)格的數(shù)目設(shè)置在左右時(shí)，翼型的升力系數(shù)以及阻力系數(shù)基本不再變化。這使得仿真結(jié)果不會(huì)因?yàn)樵黾泳W(wǎng)格數(shù)量而產(chǎn)生變化，因此，在之后的仿真分析過程中，將主帆網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置在左右。

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

2.4 襟翼位置對(duì)翼帆氣動(dòng)性能的影響

選取流場(chǎng)風(fēng)速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉(zhuǎn)角7°，襟翼位置與的參數(shù)變動(dòng)范圍如表3所示，通過Fluent計(jì)算分析，得到襟翼位置對(duì)翼帆升力系數(shù)的影響規(guī)律，如圖5所示。

圖5 襟翼位置對(duì)升力系數(shù)的影響

表3 襟翼位置參數(shù)變動(dòng)范圍

根據(jù)圖5所示，可以得出以下結(jié)論：

1）襟翼的左右位置對(duì)翼帆的升力系數(shù)產(chǎn)生影響。在襟翼離主帆較近時(shí)，襟翼阻礙了主帆尾流流場(chǎng)的平滑流動(dòng)，如圖6(a)所示，從而減少主帆產(chǎn)生的升力。將襟翼放置在距離主帆較遠(yuǎn)的位置時(shí)，襟翼不影響主帆流場(chǎng)流動(dòng)，對(duì)主帆升力系數(shù)影響較小，如圖6(b)所示。然而，過遠(yuǎn)的襟翼位置將會(huì)使得翼帆的重心向后移動(dòng)，同時(shí)也會(huì)加大翼帆的旋轉(zhuǎn)半徑，翼帆在旋轉(zhuǎn)時(shí)易碰到其他設(shè)備或者船只。

圖6 主帆周圍流場(chǎng)流動(dòng)狀況

2）襟翼的上下位置對(duì)翼帆的升力系數(shù)不產(chǎn)生影響，可以將襟翼放在較低的位置，降低翼帆的重心。

2.5 展弦比、錐度比對(duì)翼帆氣動(dòng)性能的影響

選取流場(chǎng)風(fēng)速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉(zhuǎn)角7°，襟翼位置d1為1米，d2為0.8米。主帆展弦比和錐度比參數(shù)變動(dòng)范圍如表4所示。通過Fluent計(jì)算分析，得到主帆展弦比、錐度比對(duì)翼帆氣動(dòng)性能的影響規(guī)律，如圖7～圖9所示。

表4 主帆展弦比和錐度比參數(shù)變動(dòng)范圍

圖7 展弦比對(duì)升力系數(shù)、阻力系數(shù)的影響

圖8 展弦比對(duì)氣動(dòng)中心高度的影響（以主帆翼展百分比表示）

圖9 錐度比對(duì)升力系數(shù)和升阻比的影響

根據(jù)圖7～圖9所示，可以得出以下結(jié)論：

1）展弦比是與主帆平面形狀有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，它影響翼帆升力系數(shù)、阻力系數(shù)的大小和氣動(dòng)中心的位置。當(dāng)展弦比大于2時(shí)，主帆展弦比增加會(huì)導(dǎo)致升力系數(shù)的增加，阻力系數(shù)的減小，同時(shí)，展弦比的增加會(huì)增加氣動(dòng)中心的高度。在圖8中，氣動(dòng)中心高度從主帆翼展高度的44%增加到48.1%。

2）錐度比也是與主帆平面形狀有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。在圖9中，展弦比保持在4，錐度比在0.2～1.0之間變化，錐度比對(duì)升力系數(shù)以及升阻比產(chǎn)生影響，其升阻比變化約為6%。試驗(yàn)結(jié)果還表明，主帆錐度比τ=0.45時(shí)，翼帆擁有較大的升阻比和較佳的氣動(dòng)性能。

2.6 傾斜角對(duì)翼帆氣動(dòng)性能的影響

設(shè)置C型翼帆高度和展弦比與A 型翼帆相同（b=1800，AR=4）。通過計(jì)算襟翼控制主帆旋轉(zhuǎn)所需要的恢復(fù)力矩，發(fā)現(xiàn)面積是主帆面積10%的襟翼（如在A型翼帆中）將無法為C型翼帆提供足夠的恢復(fù)力矩。因此，將C型翼帆襟翼尺寸增加至主帆尺寸的20%。選取流場(chǎng)風(fēng)速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉(zhuǎn)角7°，主帆傾斜角的參數(shù)變動(dòng)范圍如表5所示。通過Fluent計(jì)算分析，得到主帆傾斜角對(duì)翼帆氣動(dòng)性能的影響規(guī)律，如圖10所示。

表5 傾斜角參數(shù)變動(dòng)范圍

根據(jù)圖10所示，可以得出以下結(jié)論：

圖10 傾斜角對(duì)氣動(dòng)性能的影響

當(dāng)主帆傾斜時(shí)，隨著傾斜角度的增加，升力系數(shù)在大幅度的減小。但是傾斜角度的增加有利于降低主帆的氣動(dòng)中心同時(shí)可以加大襟翼繞桅桿的旋轉(zhuǎn)力矩。

3 結(jié)語

通過對(duì)帶有襟翼的剛性翼帆進(jìn)行氣動(dòng)性能分析可知：

1）襟翼左右位置距離主帆較近會(huì)減小翼帆的升力系數(shù)，而襟翼上下位置的變動(dòng)對(duì)翼帆的升力系數(shù)不產(chǎn)生影響。

2）主帆采用大展弦比會(huì)提高氣動(dòng)性能，但是細(xì)長(zhǎng)的主帆在工作時(shí)會(huì)有較高的彎曲應(yīng)力。同時(shí)，采用錐形主帆，錐度比0.45時(shí)，可以提高主帆的整體結(jié)構(gòu)剛度、降低重心和根部的彎曲載荷，且具有較好的氣動(dòng)性能。

3）主帆隨著傾斜角度的增加，雖然氣動(dòng)中心逐漸的降低，但升力系數(shù)會(huì)大幅減小。

通過對(duì)無人帆船剛性翼帆的氣動(dòng)性能分析，為后續(xù)的無人帆船推力優(yōu)化以及自主航行控制提供了性能數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)了航海工程的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。