基于蛇怪蜥蜴踏水机理的水面推进技术研究

白向华，吕建刚，高 飞，赵志宁

（1.军械工程学院，石家庄 050003；2.总参炮兵训练基地，河北 宣化 075100）

0 引 言

目前，世界现役两栖车辆水上推进速度一般低于15km／h，主要原因为现役两栖车辆均为排水型，排水型车辆航速接近15km／h时，会出现“阻力墙”现象，导致水阻力急剧增大，如图1所示［1］。即使大幅度提高发动机输出功率，水上推进速度也很难进一步提升［1-2］。因此，如何减小水面阻力是提高两栖车辆航速的重要途径。

国内有关减阻文献［3-7］主要从改变两栖车辆形状，如添加前后防浪板、车轮悬挂、改变车首角度等方式减少航行阻力，但车辆整体上还处于排水状态，“阻力墙”现象仍旧无法克服。

美军新一代EFV 远征战车水上最大航速达到46.6km／h，是传统两栖车辆航速的3 倍多［8］。究其原因为：EFV 远征战车水上行驶时将会变成一个大型冲浪滑板，加上超大功率的喷水推进器，使车体完全进入滑行航态，从而越过“阻力墙”，大大减小水阻力，实现高速航行，如图2［1］。

图1 不同航态两栖车辆的阻力曲线比较Fig.1 Resistance curves comparison of amphibious vehicle on different sailing status

由此可见，改变两栖车体水中航态，使其由排水状态经过渡状态、最终进入高速滑行状态（如图1所示），是解决目前两栖车辆因" 阻力墙" 而航速过低的有效方法。

图2 EFV 流体阻力-速度曲线Fig.2 Liquid resistance-velocity curves of EFV

1 推进技术研究

1.1 滑行航态分析

根据航行原理，水面航行船（车）体的运动状态划分主要取决升力相对于排水量的大小。当车辆航速的体积弗劳德数Fr＞3.0时称为滑行状态，在这种状态下航行时，车体几乎离开水面，浮力很小，其重量的90%与流体动力作用相平衡［9］。满足近似式

式中：m为车体质量，Rg为流体动力产生的升力。

此状态下，车体被高速航行产生的水动力托出水面，水阻力保持在一个稳定状态，如图1所示。除非具有专门的车体外形（如EFV 滑板型车底，图3 所示）和超大功率发动机，可以实现水上高速滑行状态（图4所示）；否则，对于传统排水型车辆（图5所示）很难实现这种水上高速滑行状态。

1.2 仿生分析

图3 EFV 滑板型车底Fig.3 Smooth-board shape of EFV bottom

图4 EFV 托出水面高速滑行状态Fig.4 High speed sliding status above water of EFV

图5 传统排水型两栖车辆水中航行状态Fig.5 Sailing status in water of traditional drainage amphibious vehicle

现代仿生技术为突破传统排水型车辆的“阻力墙”现象带来灵感和希望。美洲热带雨林生活的蛇怪蜥蜴［10-11］是一种能够在水面高速奔跑的动物，身体密度大于水，经过上亿年的进化，其能够依靠两个脚掌高频率地踩踏水面，实现在水面上的高速奔跑，如图6所示。它利用两个脚掌面积以合适的角度、高频率踩踏水面，产生向前的奔跑力和向上的托举力，使得蛇怪蜥蜴在水面奔跑如履平地。

图6 蛇怪蜥蜴高速踏水奔跑过程Fig.6 Course of basilisk lizard treading water at high speed

此向上托举力的产生机理与舰船、两栖车辆阿基米德排水浮力原理有本质的不同，它揭示了这样的一个重要原理：在高速条件下，固体和液体的相互作用实质上与固体和固体的相互作用相同，会产生极大的作用力。我们可利用这一机理进行两栖车辆航态改变技术研究。

1.3 推进原理分析

通过观察和分析蛇怪蜥蜴的水上高速奔跑过程，深入研究蛇怪蜥蜴在水面奔跑时流体和固体相互作用的动力学原理，抛弃以往两栖车辆排水型浮力方式，在仿真分析和原理试验基础上，提出了一种新型两栖车辆推进技术。

基于此技术设计了一种轮-叶复合式推进装置。首先，它与传统两栖车辆阿基米德体积排水产生浮力原理不同，其实质是利用仿生叶轮叶片高速连续地拍击水面，产生向上托举力F1和水平推进力F2，随着叶轮转速的提高，产生固-液作用力不断增大，将两栖车辆托举出水面，进入滑行状态，从而避开“阻力墙”达到减小水阻力的目的，基本原理如图7所示。

图7 轮-叶复合式推进装置基本原理图Fig.7 Basic principle diagram of the wheel-blade compound propulsive equipment

1.4 仿真分析

为验证设想装置的作用效果，课题组人员应用流体仿真软件Fluent中的动网格技术，VOF 模型及UDF函数对新型轮-叶复合式推进装置水动力性能进行运动仿真，先从理论上验证减阻推进技术的可行性。

（1）应用Pro／E软件建立推进装置三维造型，采用GAMBIT 软件进行网格划分，如图8所示。

图8 轮-叶复合式推进装置三维造型和网格划分Fig.8 Three dimensional sculpt and gridding partition of the wheel-blade compound propulsive equipment

（2）将轮-叶复合式推进装置的旋转运动视为二维不可压非定常流动，采用时均形式的连续方程，Reynolds时均Navier-Stokes方程和标量φ的时均输运方程，描述为：

式中：ui，uj为速度分量时均值（i，j=1，2）；p为压力时均值；ρ为流体密度；μ为流体粘性系数；为雷诺应力项；φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

其中，非定常湍流计算采用RNGκ-ε湍流模型［12］，该模型很好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。利用UDF 定义轮-叶复合式推进装置角速度ω=5rad／s；在初始化过程中将上半部分设为空气，下半部分为水。

设叶轮旋转轴中心与水平面距离为浸水深度h，连接杆与叶片夹角为θ。分析在不同浸水深度h或夹角θ下，轮-叶复合式推进装置的水动力性能。

（3）首先设轮-叶复合式推进装置浸水深度为h=-0.4m（完全处于水下），θ=120°，仿真分析此状态下的水动力性能，如图9～11所示。

图9 下潜状态产生的托举力和推进力Fig.9 Propulsive force and lift force when submerging

图10 下潜时的体积分数分布图Fig.10 Volume fraction distribution when submerging

图11 下潜时的压力云图Fig.11 Pressure nephogram when submerging

如图9中所示，选取0～1.65s内1650个时间节点，仿真得出各时间节点轮-叶复合式推进装置的力学特性，其中上半部分为托举力，下半部分为推进力。可以看出，推进装置在完全置于水下（图10显示此时叶轮的水中状态）旋转时，产生近似正弦或余弦的向上托举力和向前的推进力，两者呈周期性波动。其中托举力最大值为513.29N，推进力最大值达到451.65N，并且托举力和推进力大部分处于正值范围内，由此可见通过仿生叶轮转动，可实现车体从水下托出水面，进入滑行状态。图11为0.75s时刻各仿生叶片的压力云图。两侧压力差对叶片面积的积分即为单个叶片受力大小，进而可求整个仿生叶轮所受到的托举力和牵引力。

（4）仿生叶轮浸水深度h分别为-0.20m、0m、0.2m（处于水-气两相介质中），夹角θ=120°时，仿真分析推进装置的水动力性能，如图12和13所示。

图12 不同浸水深度产生的托举力Fig.12 Lift force at different deepness in water

图13 不同浸水深度产生的推进力Fig.13 Propulsive force at different deepness in water

从图14和15分析得出，在一个旋转周期内，h=0m 时产生的平均推进力和托举力均最大，h=-0.2m、0.2m 时相对较小，其中牵引力在h=0.2m 时最小。这是由于此状态下仿生叶轮拍打的水体积较少，故作用力较小，与实际相符。

（5）设仿生叶轮浸水深度h=0，夹角条件θ为105°、120°和135°时，仿真分析推进装置的水动力性能，如图14和15所示。

从图11和12分析得出，θ=135°时仿生叶轮产生的平均推进力最大，θ=120°、105°依次减小；θ=105°时产生的平均托举力最大，θ=120°、135°时依次减小。可得到当θ增加时，推进力增大，托举力相应减小。

图14 不同夹角推进装置产生的托举力Fig14 Lift force at different angles

图15 不同夹角推进装置产生的推进力Fig15 Propulsive force at different angles

（6）仿真结果分析：①设想的轮-叶复合式推进装置能够产生向上的托举力和向前的推进力；②推进装置在不同浸水深度h和夹角θ时产生的推进力和托举力不同，其中θ增大时，托举力减小，推进力增大；③随着ω增大，产生的托举力不断增大，定能将两栖车辆托出水面，进入滑行状态，从而减小水阻力。 由此可见，基于蛇怪蜥蜴踏水机理设计的新型轮-叶复合式两栖车辆水上推进装置在理论上是可行的。

1.5 试验论证

在仿真分析的基础上，进一步开展了轮-叶复合式推进装置原理试验，试验效果良好。

试验一：课题组研究设计了仿生叶轮机构，采用两台电机驱动单组仿生叶轮机构，电机功率为0.25kW，箱体内包括2块充电电瓶，电机和传动装置总质量30kg。开始时，整个机构沉入水中；通电后，叶轮拍打水面，箱体被托起一定角度，如图16（a）所示。经浮力实验测试，在水中将箱体一端提升到相同角度需要150N 的作用力，即采用额定功率为0.25kW 的电机产生了150N 的托举力。

实验二：课题组用4台电机制作了无排水浮箱的双组仿生叶轮机构，每台电机额定功率为0.25kW，总质量约25kg。未加电时，由于重力大于浮力，叶轮及电机沉入水中；加电后，因叶轮转速提高而托起整个机构，整个机构被完全托出水面，仿生叶轮几乎与水面相切，提升效果良好，如图16（b）所示。

图16 推进原理试验Fig.16 Principle tests of the propulsion

先期试验效果表明，在较小输出功率下，依靠仿生叶轮与水的高速作用产生的托举力，可把较大重量的车体托出水面，进入滑行状态，从而减小水阻力。据此原理，若采用大功率发动机，产生的托举力足以将渡海车辆托举出水面，进入滑行状态。因此，所设想的轮-叶复合式两栖车辆水上推进技术，在原理上具有可行性。

在以后的研究中，将进一步优化仿生叶轮的结构、参数、材质等，使得仿生叶轮的水动力性能和机械传动性能达到最优。

2 结束语

通过理论分析和原理试验论证，提出的基于蛇怪蜥蜴踏水机理的轮-叶式两栖车辆水上推进技术达到了预期的设想，能够在不具备大功率车载发动机和复杂滑板技术的情况下，通过改变航态，巧妙地避开了两栖车辆提速过程中遇到的“阻力墙”现象，大大减小水阻力，有利于航速的大幅度提升。此外，该技术原理还可用于船舶等其他排水型载具的水上推进研究。

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