一种基于径向扰动式涡环的水下推进装置

吴佳俊　戴训　侯振民

摘要：改善低速工况下喷水推进装置效率不足的问题，促进喷水推进的应用推广。基于仿生学原理提出了一种基于径向扰动式涡环的水下推进装置，分析了装置的组成结构及其工作原理，建立了推进装置的数学理论分析模型。并基于PIOS算法通过Fluent软件对推进装置的涡环产生进行理论验证和推力分析。得到一种能够解决喷水推进在低速工况下效率低的水下推进装置。基于径向扰动式涡环的水下推进装置可以改善低速工况时效率低的问题，可为喷水推进的应用推广提供帮助。

关键词：水下推进;径向扰动式涡环;仿生学Fluent推进效率

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1003-0069（2020）07-0109-03

引言

随着我国资源节约型、环境友好型现代化发展战略的实施，我国加快了推进工业节能减排工作的步伐，提出了更为严格的硬性要求[1]。而船舶又是全球温室气体排放和能源消耗大户之一。喷水推进作为一种特殊的推进方式，相较于螺旋桨推进具有噪声小，适应工况能力强，机械结构简单寿命长，抗空泡性能良好，周围流场稳定，高速工况下推进效率较高等优点[2]，在一些领域已得到应用。虽然其相对于螺旋桨推进有诸多优势，但其存在低速工况下推进效率不足的问题。因此一种既能发挥喷水推进装置优势又能解决低速工况下推进效率不足的新型喷水推进装置非常具有研究意义。

一、结构设计

为了改进喷水推进在低速工况下效率低的问题，现有的方法主要是从喷水推进器的输入口进行改进，通过改变泵和叶片的位置结构来实现推力的改变，但其改善的效果不佳导致喷水推进在低速I况时效率较低的问题仍然存在。因此本装置提出了一种从喷水推进器输出口进行改进的方案，将喷水推进器的喷水部分进行改进。

考虑到许多海洋生物在运动时是将自身能量传递给周围的水以引起反冲作用来实现推进的，如图1所示。为了达到最高的推进效率，这些生物会通过产生径向扰动改变自身喷水出水口处截面积的大小，通过截面积的收缩使周围的水以涡环结构形式存在，以盡可能多地带走水的质量和冲量。且通过科学家的实验表明，涡环对质量和动量的输送能力要大于等量的直流液体[3]。因此为了提高喷水推进器在低速工况效率低的问题，在结构设计上，本装置利用仿生学的原理采用一种径向扰动式涡环产生机构来帮助本推进装置能够较大地改善低速工况下的喷水推进效率，提高能量利用效率。

结合上述分析，本装置采用从喷水输出口添加一种基于仿生学的径向扰动式涡环产生机构进行改进。在总体结构上，本装置主要包括进水加速模块、涡环发生模块和辅助模块（转向模块和倒车模块），整体结构如图2所示。

本装置的工作原理为：装置进水口周围的水流在经过进水加速模块驱动后被吸入到推进器中加速和整流。加速和整流后形成的高速直流接着经过涡环发生模块，并由涡环发生模块产生的径向扰动进一步加速。再次加速的水流不断冲击前面水流，最终在渐缩喷口处由于剪切作用卷曲形成连续涡环，通过涡环对质量和动量的输送能力强的特点来达到高效推进的目的。当推进器需要转向和倒车时可以通过辅助模块帮助其实现相应的功能。

接下来依次对本装置的各个模块进行功能、结构、工作原理以及创新点的分析。

（一）进水加速模块设计

进水加速模块作为推进器的动力源，其功用为将外界水泵入装置中并对其加速和整流。在结构上，进水加速模块主要由进水口、进水口挡板、加速叶轮、整流叶轮、传动轴、驱动电机、联轴器等组成，结构如图3所示。

在动力传输方面，传动轴作为进水加速模块的核心动力传递装置，左边依次连接联轴器和驱动电机，右边依次连接加速叶轮以及整流叶轮。

进水加速模块的工作原理为：驱动电机通过联轴器和传动轴带动加速叶轮和整流叶轮。当水流进入进水口后由加速叶轮加速，再经过整流叶轮使得流体的旋转运动的能量全部转换成向后运动的能量，同时消除了倾倒力矩，得到同一截面上的水流速度相同且能满足能被扰流条件的高速直流。

本装置的进水加速模块和传统的喷水推进器的进水模块最主要的区别在于添加了一个单独的整流叶轮，使得新型装置能够更好地消除进水倾倒力矩，得到高速直流。若加速叶轮损坏，整流叶轮还可在一定程度帮助实现水流的吸入加速，为进水加速模块的稳定工作提供一定保障。此外进水口在设计上为L形，其目的是将船底水流自然导入叶轮。进水口挡板则用于防止固体杂质进入进水加速模块，维持装置的正常工作。

（二）涡环发生模块结构设计

涡环发生模块是本装置的核心模块，其设计的目的在于提升喷水推进时水流对质量和动量的输送能力，改善传统喷水推进低速工况效率低的问题，提升低速工况下的推进效率。

对比现有的研究发现，，目前基于水母，乌贼等利用涡环推进的水下生物的仿生研究已经开展很多了，其相应的各种基于涡环原理的仿生机器人也被制作出来。但这些仿生式的水下推进方式大多采用的是一吸一喷式的涡环产生机构，通过记忆合金或者推板实现水流的加速产生涡环，在结构和推进效率上存在着非常明显的不足：

1.机械结构复杂：大多采用形状记忆合金和柔性材料以模仿生物腔体的收缩扩张，在机械结构复杂的同时既增加了喷水推进器的高昂成本也在一定程度上增加了水流在喷水推进器中的沿流损失，因而该结构不适用于喷水推进器的推广应用。

2.推进不稳定：由于采用腔体扩张吸水，腔体收缩喷水的机构，在吸水过程中推进力为零，甚至产生负推力，而喷水过程推进力又很快达到峰值，在实际应用，上非常不便。传统的涡环大多数都是由推板推动静态的流体形成的，其涡环产生机构在水流进出口是同口的，如图4所示，左侧图为喷水是产生的涡环结构，右侧图为吸水时，涡环结构被破坏，装置推进力为零时的状态。这样的结构导致涡环一个一个产生，其裹挟流体，传输质量流量的效率会受到很大限制。

针对上述问题，我们提出一种基于径向扰动式的涡环产生方式，通过对本装置结构和功能的设计，在涡环发生模块实现进水口和出水口同向的同时对喷水推进的高速直流进行周期性的径向扰动，使得一段高速直流可以连续形成涡环。

基于这种涡环产生方式建立了本装置的涡环发生模块，在结构上，涡环发生模块主要由电推杆、活塞、液压缸、弹性膜、液压油组成，结构如图5所示。

涡环发生模块的工作原理为：当涡环发生模块工作时，电机带动电推杆推动活塞，活塞从上止点往下止点运动，液压缸中液压油受到挤压后压强逐渐上升。当液压油的压强大于水流的压强时，由于压力作用，弹性膜逐渐突起在流道内形成同心圆样式，使得流通截面积变小。当活塞运动到下止点时，凸起达到最大值，此时流通截面积最小。当通过进水加速模块加速和整流水流经过缩小后的截面后，会受到由弹性膜产生的径向扰动再次被加速形成细长高速水流柱，并对前方未加速的水流柱形成轴向冲击。被冲击的水流在渐缩喷口处由于剪切作用卷曲形成涡环。活塞到达下止点并维持一段时间后返程，液压腔内形成负压，弹性膜回落，涡环间通过普通射流衔接。当活塞达到上止点，膜完全回落，以此完成一个循环，连续产生涡环。

通过对比传统的喷水推进器和传统的涡环产生装置可知，本装置的涡环发生模块具有以下创新点：

1.利用对恒定水流产生周期径向扰动的方式产生涡环。这种方式相较于传统一吸一喷式的涡环产生方式，实现了涡环发生时进出水口同向，使得装置可以产生连续的涡环，推力更趋于稳态，推进效率更高，也让涡环在水下推进技术的实际应用更加合理。此外，本装置还利用涡环间有普通射流衔接的特点，提高了对涡环对能动量输送的效率。如图6所示，左图为膜收缩时产生涡环的结构示意图;右图为电推杆回程，膜收缩时涡环间衔接的普通射流。

2.涡环产生的大小可以根据所需的推进效率进行主动调节。可以通过调节涡环发生模块中电推杆的上下止点来使弹性膜凸起的程度不同，进而产生不同的涡环大小。此外，本装置利用径向扰动式涡环的持续高效推进的特点，将其应用到喷水推进上，使得喷水推进能够得到更广泛的应用，以更多地发挥喷水推進技术相对螺旋桨推进的诸多优势。

（三）辅助模块设计

本装置的辅助模块主要包括转向模块和倒车模块。转向模块和倒车模块用于帮助装置实现转向和倒车行驶。

在结构上，转向模块主要由电推杆、转向连接件、转向轴、转向传动轴、转向球壳、转向球壳定位轴组成，如图7所示。当转向模块工作时，电推杆转动带动连接件转动，转向连接件转动后通过矩形槽与转向传动轴连接，并带动转向传动轴转动。转向传动轴转动后，通过扭转力矩驱动与之连接的转向球壳绕着转向球壳定位轴转动。转向球壳转动后会即会改变推进器喷水的方向，由于推力方向的改变进而实现推进器的转向。

相较于传统喷水推进通过在尾部添加挡板导流装置，从挡板左右侧中的一侧进行喷水实现的转向的方式，本装置的转向方式的结构简单，调节速度快，机动性更强。此外本装置的转向模块在实现转向功能时不会影响涡环发生模块的正常工作，提高了转向效率。

在结构上，倒车模块主要由电推杆、传动轴、倒挡挡板，其中电推杆与推进器固定挡板固定，传动轴与倒挡挡板固定，带动倒挡挡板前后运动，如图8所示。此外倒挡挡板与涡环发生器外壳的左右圆柱通过配合连接。当需要倒挡运动时，电推杆通过运动将传动轴放长，此时由于重力因素的影响，倒挡挡板会由于重力作用绕着涡环发生器外壳的圆柱转动把挡板放下来挡住推进器的喷水出口，进而根据喷水的反作用力实现倒挡功能。

相较于传统喷水推进器的倒车模块，本装置的倒车模块结构更为简单，所需要的控制电机少，实现起来也更为容易。

二、数学模型建立

（一）推进器推力理论分析

一维定常等熵流动喷管的推力由下式给出：

其中e角标表示喷管出口截面积参量，角标a表示环境参量。其中，右式第一项称为动推力，是由于喷射出的公职产生的动量变化率产生的;第二项称为静推力，是由喷管出口截面压强与外界环境压强之间的不平衡造成的。

而在涡环发生模块对水流施加径向扰动后，总推力等于动推力和静推力之和的结论已经不适用，二者只占总推力的一小部分，另一部分则是施加扰动过后水流的非稳态特性导致在喷管尾部出现回流现象，由于改变了喷口面积，使得喷出的流体质量流量下降，从而导致内部璧面压强升高4，故推力应通过仿真得到。

（二）推进器效率分析

由于涡环发生模块引入了额外的能源消耗，因而推进器的效率不与推力成正比，需要重新计算。喷射式推进的推进效率定义为：推进功率与单位时间流过喷管的流体获得的动能增量的比值，即;

其中：v航行速度，Vo质量源项的输出速度

若保持航行速度相同及进流速率相同，则施加扰动与未施加扰动情况下推进效率比为：

v'2为水流轴向速度在管口处积分后取平均方向平均值。T为一个扰动周期，y为喷口半径。

三、仿真优化分析

为了验证涡环发生模块径向扰动涡环的产生原理，并比较其相对于稳态射流的优势，获取总推力等参数式，建立数值仿真模型进行有限元分析仿真模拟[5]。在对实际问题进行建模仿真时，往往会对模型进行合理简化，来降低计算机硬件配置要求以及计算量。因该装置呈轴对称，可采用轴对称N一S方程求解，搭建其1/2模型，这样不仅大大降低了网格数量，减少计算时间，而且还能保证计算的精度。装置喷口直径D设为12.7mm，喷管内径为9D，渐缩喷C角度为7°，喷管长度为6.125D。

利用solidworks软件推进器的核心模块一涡环发生模块进行建模，并将其二维平面模型导入Fluent软件分析涡环的产生情况[6]。用Fluent软件进行仿真模拟处理，求解算法选择PIOS算法，湍流模型选择大涡模拟（LES），我们在仿真时为了更接近喷水推进器工作状态，并未直接设置进口，而是利用UDF功能在喷管中定义一个质量源项，为对比相同流率下的推力，质量源项的输出保持不变。

考虑到外流场壁面可能会对涡环产生影响，因此外流场边界应当足够远，根据参考文献设定长度为6500mm[7]。稳态射流时速度云图及凸起后涡环形成的云图如图9所示。

可以清晰地看到水流在管口卷曲形成涡环并往前输送的过程，也符合传统涡环产生方式所产生的涡环过程和形态8，证明了这种方法的可行性，并且由仿真结果我们得到了形成涡环过程中装置产生的推力曲线。

周期取0.08s，时间步长为0.002s。可以看出一個扰动周期内推力随时间变化范围较大，算得一个周期内平均推力F为2.4243N;而稳态射流推力约为2.10814N，即相对于稳态射流，每一个扰动周期内平均推力增大了14.09%。

将仿真计算中得到的数据T=0.08s，T=0.08s，F=114.09%，v;=0.1m/s，v=0.4m/s，以=0.25m2/s，带入公式（3）得：。-1.103即相对稳态射流，在相同航速和进流流率的情况下，施加扰动后能够提高约10.3%的效率。

结论

通过理论计算及仿真分析证明，在低速工况下基于径向扰动式涡环的水下推进装置可以在相同进水流率的情况下，提高14.09%的推进力，在航速不变的情况下提高约10.3%的效率。本装置实现了进水和出水方向的一致，保持了进水的恒定以及装置推进的稳态。通过对水流进行周期性的径向扰动，使得装置能够产生连续的涡环，且在不产生涡环的间隙仍有普通射流，较大程度的改善喷水推进在低速工况下效率低的问题，有助于推进喷水推进装置的应用推广，非常具有节能意义。.

参考文献

[1]高奇峰，郑刚强，陈琛等高端海洋装备工业设计探索——以潜航器设计为例[J].设计，2017（09）：18-21.

[2]刘禹章喷水推进装置在船舶中的应用[0].科技创新与应用，2019（27）：165-166.

[3]李健仿生乌贼推进器及其流体动力仿真和实验研究[D].哈尔滨工业大学，2011.

[4]张厚臻，余钊圣仿生水母推进的数值模拟研究[J].水动力研究与进展（A辑），2016（31）：327-333.

[5]张凯，陈晶.基于HypersStudy的某飞机顶部板箱体轻量化设计[J]设计，2020，33（09）：23-25.

[6]吴慧兰.三维打印技术在工业设计模型制作中的应用研究[J]设计，2012（02）：29+28.

[7]张岳脉冲射流非稳态工作过程研究[D].北京理工大学，2016.

[8]向阳涡环演化及其物理特征的研究[D]上海：上海交通大学，2013.