黃曉雪

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧興城125105）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，自然資源越來越多的被消耗，人類開始尋求在盡量減少資源消耗的情況下生產(chǎn)出相同數(shù)量和質量產(chǎn)品的方法，簡單來說就是尋求節(jié)能的方法。此時減阻節(jié)能就應運而生，同時也是現(xiàn)階段的主要議題。在眾多的減阻方法中，仿生減阻方法具有低耗高效的特點，越來越被人們所認可和接受，成為當今社會主要的減阻技術。仿生學是將自然界某些生物特有的一些性質運用到實際的生產(chǎn)研究過程中以達到提高產(chǎn)品性能的目的，如飛機的航行可以模擬雨燕的飛行、船舶的運動可以模擬魚類的擺動等。在研究中我們發(fā)現(xiàn)座頭鯨的鰭狀肢可以有效地改善其回轉能力，受其啟發(fā)可以將其鰭狀肢運用到舵設備上，達到改善船舶操縱性的目的。本文通過分析和對比國內外凹凸導緣仿生減阻方法及其在航天、航空、船舶等各個領域的應用，探討應用凹凸導緣仿生減阻技術改進船舶槳舵一體化裝置的應用前景。

1 座頭鯨運動方式

在成千上萬的海洋生物中，水生生物的運動情況和轉彎性能都受到其身體形態(tài)和靈活度的影響。座頭鯨作為海洋中最大的鯨類生物之一，由于身體龐大其靈活度一般不是很好，很大程度上影響了其捕食能力。通過科學家的研究發(fā)現(xiàn)，雖然其身形龐大影響了其靈活度，但是與其他同類相比，座頭鯨具有特殊的控制回轉性的能力。這種特殊的控制回轉性的能力就是在座頭鯨身上具有可移動和高展弦比的鰭狀肢，座頭鯨依靠鰭狀肢可以進行前進、后退、轉向等操縱。座頭鯨的鰭狀肢如圖1所示，從圖中可以看出鰭狀肢的導緣上分布許多凸起，也就是這種凹凸導緣結構改善了座頭鯨的操縱性能，減少了其運動過程中的阻力。

圖1 座頭鯨的鰭狀前肢

座頭鯨的鰭狀前肢引發(fā)了人們的深思，美國西切斯特菲爾德大學的生物學家Frank Fish等受其啟發(fā)展開了導緣具有凹凸結節(jié)的特殊翼型的研究，F(xiàn)rank Fish實驗室根據(jù)座頭鯨鰭狀肢的形狀制作了一個導緣和座頭鯨類似的具有凹凸結節(jié)的鰭狀肢以及一個導緣光滑的鰭狀肢，具體形狀如圖2所示。Frank Fish實驗室對這兩個鰭狀肢進行風洞試驗，通過實驗結果分析得出，當外界其他條件都相同的情況下，具有凹凸結節(jié)的鰭狀肢可以使其升力提高8%，阻力減少32%，失速角比標準的鰭狀肢提高40%。綜上，可以看出具有凹凸結節(jié)的仿座頭鯨鰭狀肢與沒有凹凸結節(jié)的鰭狀肢相比，具有提高升力、減小阻力、增大失速角等特點，這項技術的應用可以有效地提高機翼或者舵的性能，達到減阻節(jié)能的目的，為船舶的舵設備以及飛機的機翼提供了全新的設計理念。

圖2 座頭鯨鰭狀前肢模型

2 國內外研究現(xiàn)狀

從19世紀80年代初凹凸結節(jié)這個概念的提出到現(xiàn)在經(jīng)過數(shù)十年的研究和發(fā)展，凹凸導緣的研究和應用已經(jīng)取得了突破性的進展，越來越多的學者和專家投入到凹凸導緣節(jié)能減阻工作的研究中，并且也取得了許許多多的成果，為節(jié)能減阻工作做出了重要的貢獻。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

1980年，E.Fish首次由座頭鯨的雕像發(fā)現(xiàn)了其鰭狀前肢上均勻布置著凹凸結節(jié)，接著E.Fish組建研究團隊對此現(xiàn)象進行了長達20年的研究，在研究中E.Fish和同事們發(fā)現(xiàn)鰭狀前肢與光滑的前肢相比具有更優(yōu)越的性能，這就是凹凸導緣這個概念的來源。

在2004年，D.SMiklosovic和E.Fish等在原有研究的基礎上制作了2個座頭鯨鰭狀前肢模型，其中一個布置為光滑的導緣，一個為凹凸結節(jié)，并通過風洞試驗得出實驗結果，驗證了具有凹凸結節(jié)的導緣相較于光滑導緣氣動性能更好，提高了升力系數(shù)、失速角等。

在2007年，Miklosovic和Murray在NACA翼型上布置凹凸結節(jié)，并將其設置為正弦曲線，通過實驗證明正弦曲線形狀的凹凸導緣失速角比較緩和，可以使升力提高、阻力降低。

在2008年哈佛大學Van Nierop和Ernst A將凹凸導緣上的結節(jié)振幅增大，實驗結果發(fā)現(xiàn)升力曲線變得更加平緩。夏威夷大學的Pedro等人在此基礎上運用數(shù)值模擬方法驗證了凹凸結節(jié)可以有效延緩失速的問題，并驗證了數(shù)值模擬方法在研究凹凸結節(jié)提高翼型動力性能方面的可行性，為凹凸導緣減阻技術提供了一個強有力的基礎。

凹凸導緣減阻技術不僅僅試用在機翼問題上，2010年Weber等人開始對凹凸導緣減阻技術應用在船用舵上的水動力性能進行研究。與機翼問題不同的是，它不僅需要考慮凹凸結節(jié)減阻，還要考慮到舵設備所特有的空泡現(xiàn)象。通過多次試驗，研究人員發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)較小的情況下，展弦比小的船用舵在使用凹凸導緣之后空泡現(xiàn)象開始得更早一些，發(fā)生位置得到了改善，也就證明了低雷諾數(shù)的情況下凹凸導緣對舵的水動力性能有較大的影響。

經(jīng)過大量實驗和理論研究，國外對于凹凸導緣減阻技術已經(jīng)開始投入使用。加拿大科學家研制的水下機器人AQUA，采用仿生學原理將機翼做成凹凸導緣形狀進行推進，有效地提高了其操縱性，具有廣泛的應用前景。美國麻省理工學院的研究人員利用凹凸導緣的原理研發(fā)了一種新型水下機器人，它可以靈活、迅速地完成水下作業(yè)，并且能有效地完成科考任務。通過國外對于凹凸導緣減阻技術的應用我們不難看出，這種仿生減阻技術可以有效地改善原有設備的操縱性能，具有廣泛的應用前景，值得我們去研究和探討并應用到工程實踐中。

2.2 國內研究現(xiàn)狀

國內對于凹凸導緣減阻問題的研究相對于國外起步比較晚而且發(fā)展速度也比較緩慢，到目前為止在實際工程中還沒有得到使用。國內關于凹凸導緣減阻問題基本上都停留在研究階段，一般主要以模型試驗和計算機仿真為主要研究手段，通過對比分析得出凹凸導緣可以有效減小阻力的實驗結果。

2004年，田潤軍等將螺旋槳的葉片引入凹凸導緣減阻的概念，葉片橫向弦長剖面截面形狀不變，將徑向剖面截面設置為凹弧和凸弧組成的凹弧翼型，也就是將這種特殊的凹凸葉片應用到螺旋槳模型中，通過數(shù)值模擬技術，對比分析原有螺旋槳和新型螺旋槳的水動力性能，得出新型螺旋槳較原有螺旋槳具有節(jié)省原材料、提高航行速度、節(jié)約能量等優(yōu)點。

2009年，吉林大學的李偉杰等將凹凸導緣減阻技術投入到NACA三維機翼的研究中，通過數(shù)值模擬技術，模擬了原始NACA63-210三維機翼的升力、阻力等，并將結果與模型試驗結果對比分析得到兩組數(shù)據(jù)基本相同，驗證了數(shù)值模擬技術的有效性，經(jīng)數(shù)值模擬結果得出凹凸導緣減阻技術可以有效地改善機翼的氣動力性能。

2010年，哈爾濱工程大學的鞏晉等將凹凸減阻技術引入到船舶減搖鰭的研究中，通過數(shù)值模擬實驗結果和原有的水池試驗結果進行對比分析得出了數(shù)值模擬技術對于研究減搖鰭凹凸減阻技術的實用性。在進行數(shù)值模擬過程中，分別對減搖鰭的凹凸結節(jié)個數(shù)和結節(jié)高度進行不同的設置，通過對比分析數(shù)值模擬數(shù)據(jù)得出凹凸結節(jié)個數(shù)對減搖鰭水動力性能影響不大而結節(jié)高度對減搖鰭升力的影響起著至關重要的作用。

2011年，北京大學的張瑞奎等將凹凸導緣減阻技術引入到了風輪機葉片研究中。在研究過程中，張瑞奎等將風輪機的葉片導緣設置為正弦曲線形狀，通過數(shù)值模擬技術研究人員發(fā)現(xiàn)，使用凹凸導緣的風輪機葉片較原始葉片相比，在高風速的情況下扭矩得到了有效地提高。

通過對國內凹凸導緣減阻技術的研究現(xiàn)狀進行分析，我們不難發(fā)現(xiàn)國內的凹凸導緣減阻技術已經(jīng)廣泛應用到了螺旋槳、機翼、減搖鰭以及風機葉片的研究中，適用于航天、航空和船舶領域，但是國內的研究工作主要側重于理論研究和數(shù)值模擬技術，沒有真正的應用到工程實踐中，這也將是我們亟待解決的一個重要問題。

3 應用前景

通過對國內外研究現(xiàn)狀對比分析發(fā)現(xiàn)國內外眾多學者都對凹凸導緣進行了大量的理論和試驗研究，通過這些研究可以清晰地發(fā)現(xiàn)凹凸導緣對于提高舵及其附屬設備的水動力性能具有很大的作用，但是由于技術的限制國內對于凹凸導緣減阻技術還停留在理論和數(shù)值模擬階段。根據(jù)座頭鯨鰭狀前肢的特殊形狀，我們可以設想將其減阻的機理應用到槳舵一體化裝置上，應用仿生學原理實現(xiàn)改善槳舵一體化推進效能的目的，達到減阻的效果，為改善槳舵設備的推進效能提供了一個新的研究方向。根據(jù)座頭鯨鰭狀前肢的凹凸結節(jié)，改變槳和舵導緣的剖面形狀，再結合實驗與數(shù)值模擬的結果，可以將這一設計方法應用到船舶上，得到減小粘性流體阻力的簡單綠色環(huán)保的有效方法，從而為減阻節(jié)能帶來新的研究方向。

[1]張麗紅,李偉杰.仿生機翼流場的數(shù)值模擬[J].電腦知識與技術,2010(16):4579-4580.

[2]鞏晉.船舶變形減搖鰭的升力機理及建模研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[3]郭春雨.螺旋槳與舵附推力鰭相互干擾水動力性能數(shù)值計算[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2006.

[4]解學參.吊艙推進器推進及空泡性能的數(shù)值模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[5]李偉杰.仿生機翼減阻的數(shù)值模擬[D].長春:吉林大學,2007.