吳佳俊　戴訓(xùn)　侯振民

摘要：改善低速工況下噴水推進(jìn)裝置效率不足的問題，促進(jìn)噴水推進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)裝置的渦環(huán)產(chǎn)生進(jìn)行理論驗(yàn)證和推力分析。得到一種能夠解決噴水推進(jìn)在低速工況下效率低的水下推進(jìn)裝置。基于徑向擾動式渦環(huán)的水下推進(jìn)裝置可以改善低速工況時效率低的問題，可為噴水推進(jìn)的應(yīng)用推廣提供幫助。

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

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)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(shí)施，我國加快了推進(jìn)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(jìn)作為一種特殊的推進(jìn)方式，相較于螺旋槳推進(jìn)具有噪聲小，適應(yīng)工況能力強(qiáng)，機(jī)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(jìn)效率較高等優(yōu)點(diǎn)[2]，在一些領(lǐng)域已得到應(yīng)用。雖然其相對于螺旋槳推進(jìn)有諸多優(yōu)勢，但其存在低速工況下推進(jìn)效率不足的問題。因此一種既能發(fā)揮噴水推進(jìn)裝置優(yōu)勢又能解決低速工況下推進(jìn)效率不足的新型噴水推進(jìn)裝置非常具有研究意義。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了改進(jìn)噴水推進(jìn)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(jìn)器的輸入口進(jìn)行改進(jìn)，通過改變泵和葉片的位置結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)推力的改變，但其改善的效果不佳導(dǎo)致噴水推進(jìn)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(jìn)器輸出口進(jìn)行改進(jìn)的方案，將噴水推進(jìn)器的噴水部分進(jìn)行改進(jìn)。

考慮到許多海洋生物在運(yùn)動時是將自身能量傳遞給周圍的水以引起反沖作用來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的，如圖1所示。為了達(dá)到最高的推進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)器在低速工況效率低的問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)來幫助本推進(jìn)裝置能夠較大地改善低速工況下的噴水推進(jìn)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(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。在總體結(jié)構(gòu)上，本裝置主要包括進(jìn)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(jìn)水口周圍的水流在經(jīng)過進(jìn)水加速模塊驅(qū)動后被吸入到推進(jìn)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(jìn)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(qiáng)的特點(diǎn)來達(dá)到高效推進(jìn)的目的。當(dāng)推進(jìn)器需要轉(zhuǎn)向和倒車時可以通過輔助模塊幫助其實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

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

（一）進(jìn)水加速模塊設(shè)計(jì)

進(jìn)水加速模塊作為推進(jìn)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(jìn)水加速模塊主要由進(jìn)水口、進(jìn)水口擋板、加速葉輪、整流葉輪、傳動軸、驅(qū)動電機(jī)、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(jìn)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(jī)，右邊依次連接加速葉輪以及整流葉輪。

進(jìn)水加速模塊的工作原理為：驅(qū)動電機(jī)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(jìn)入進(jìn)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(yùn)動的能量全部轉(zhuǎn)換成向后運(yùn)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(jìn)水加速模塊和傳統(tǒng)的噴水推進(jìn)器的進(jìn)水模塊最主要的區(qū)別在于添加了一個單獨(dú)的整流葉輪，使得新型裝置能夠更好地消除進(jìn)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(shí)現(xiàn)水流的吸入加速，為進(jìn)水加速模塊的穩(wěn)定工作提供一定保障。此外進(jìn)水口在設(shè)計(jì)上為L形，其目的是將船底水流自然導(dǎo)入葉輪。進(jìn)水口擋板則用于防止固體雜質(zhì)進(jìn)入進(jìn)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(jì)

渦環(huán)發(fā)生模塊是本裝置的核心模塊，其設(shè)計(jì)的目的在于提升噴水推進(jìn)時水流對質(zhì)量和動量的輸送能力，改善傳統(tǒng)噴水推進(jìn)低速工況效率低的問題，提升低速工況下的推進(jìn)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(jìn)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(jī)器人也被制作出來。但這些仿生式的水下推進(jìn)方式大多采用的是一吸一噴式的渦環(huán)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)，通過記憶合金或者推板實(shí)現(xiàn)水流的加速產(chǎn)生渦環(huán)，在結(jié)構(gòu)和推進(jìn)效率上存在著非常明顯的不足：

1.機(jī)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(kuò)張，在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的同時既增加了噴水推進(jìn)器的高昂成本也在一定程度上增加了水流在噴水推進(jìn)器中的沿流損失，因而該結(jié)構(gòu)不適用于噴水推進(jìn)器的推廣應(yīng)用。

2.推進(jìn)不穩(wěn)定：由于采用腔體擴(kuò)張吸水，腔體收縮噴水的機(jī)構(gòu)，在吸水過程中推進(jìn)力為零，甚至產(chǎn)生負(fù)推力，而噴水過程推進(jìn)力又很快達(dá)到峰值，在實(shí)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(jī)構(gòu)在水流進(jìn)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(jìn)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(jì)，在渦環(huán)發(fā)生模塊實(shí)現(xiàn)進(jìn)水口和出水口同向的同時對噴水推進(jìn)的高速直流進(jìn)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(jī)帶動電推桿推動活塞，活塞從上止點(diǎn)往下止點(diǎn)運(yùn)動，液壓缸中液壓油受到擠壓后壓強(qiáng)逐漸上升。當(dāng)液壓油的壓強(qiáng)大于水流的壓強(qiáng)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(yùn)動到下止點(diǎn)時，凸起達(dá)到最大值，此時流通截面積最小。當(dāng)通過進(jìn)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(xì)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_(dá)下止點(diǎn)并維持一段時間后返程，液壓腔內(nèi)形成負(fù)壓，彈性膜回落，渦環(huán)間通過普通射流銜接。當(dāng)活塞達(dá)到上止點(diǎn)，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(jìn)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(diǎn)：

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(shí)現(xiàn)了渦環(huán)發(fā)生時進(jìn)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(jìn)效率更高，也讓渦環(huán)在水下推進(jìn)技術(shù)的實(shí)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(diǎn)，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(jìn)效率進(jìn)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(diǎn)來使彈性膜凸起的程度不同，進(jìn)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(jìn)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到噴水推進(jìn)上，使得噴水推進(jìn)能夠得到更廣泛的應(yīng)用，以更多地發(fā)揮噴水推進(jìn)技術(shù)相對螺旋槳推進(jìn)的諸多優(yōu)勢。

（三）輔助模塊設(shè)計(jì)

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(shí)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(jìn)器噴水的方向，由于推力方向的改變進(jìn)而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向。

相較于傳統(tǒng)噴水推進(jìn)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(jìn)行噴水實(shí)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(jī)動性更強(qiáng)。此外本裝置的轉(zhuǎn)向模塊在實(shí)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(jìn)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(yùn)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(yùn)動時，電推桿通過運(yùn)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(jìn)器的噴水出口，進(jìn)而根據(jù)噴水的反作用力實(shí)現(xiàn)倒擋功能。

相較于傳統(tǒng)噴水推進(jìn)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(jī)少，實(shí)現(xiàn)起來也更為容易。

二、數(shù)學(xué)模型建立

（一）推進(jìn)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(xiàng)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(xiàng)稱為靜推力，是由噴管出口截面壓強(qiáng)與外界環(huán)境壓強(qiáng)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(qiáng)升高4，故推力應(yīng)通過仿真得到。

（二）推進(jìn)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(jìn)器的效率不與推力成正比，需要重新計(jì)算。噴射式推進(jìn)的推進(jìn)效率定義為：推進(jìn)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(xiàng)的輸出速度

若保持航行速度相同及進(jìn)流速率相同，則施加擾動與未施加擾動情況下推進(jìn)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(yàn)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(jìn)行有限元分析仿真模擬[5]。在對實(shí)際問題進(jìn)行建模仿真時，往往會對模型進(jìn)行合理簡化，來降低計(jì)算機(jī)硬件配置要求以及計(jì)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(jì)算時間，而且還能保證計(jì)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(jìn)器的核心模塊一渦環(huán)發(fā)生模塊進(jìn)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(jìn)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(jìn)器工作狀態(tài)，并未直接設(shè)置進(jìn)口，而是利用UDF功能在噴管中定義一個質(zhì)量源項(xiàng)，為對比相同流率下的推力，質(zhì)量源項(xiàng)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(yuǎn)，根據(jù)參考文獻(xiàn)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(jì)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(jìn)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(jì)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(jìn)裝置可以在相同進(jìn)水流率的情況下，提高14.09%的推進(jìn)力，在航速不變的情況下提高約10.3%的效率。本裝置實(shí)現(xiàn)了進(jìn)水和出水方向的一致，保持了進(jìn)水的恒定以及裝置推進(jìn)的穩(wěn)態(tài)。通過對水流進(jìn)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(jìn)在低速工況下效率低的問題，有助于推進(jìn)噴水推進(jìn)裝置的應(yīng)用推廣，非常具有節(jié)能意義。.

參考文獻(xiàn)

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

[2]劉禹章噴水推進(jìn)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(jìn)器及其流體動力仿真和實(shí)驗(yàn)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(jìn)的數(shù)值模擬研究[J].水動力研究與進(jìn)展（A輯），2016（31）：327-333.

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

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

[7]張?jiān)烂}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.