无人帆船的翼帆气动性能研究

2022-05-12李森茂管殿柱赵大刚季建华

制造业自动化 2022年4期

李森茂，管殿柱*，赵大刚，夏涛，季建华

（1.青岛大学机电工程学院，青岛 266071；2.自然资源部海洋生态环境科学与技术重点实验室，青岛 266061）

0 引言

近年来，随着全球石油价格的逐渐上升以及人们环境保护意识的加强，风能、太阳能和潮汐能等清洁能源引起了各行各业的关注。同时，海洋面临着海水富营养化、酸化和缺氧等一系列问题[1]。以风能为动力的无人帆船具备在海上长时间自主运行的能力，可以用来调查海洋资源和环境监测[2]，也可以用在海岸巡逻、海洋取样和气象调查等方面[3]。无人帆船在海洋实际应用方面具有较大的潜力，为海洋立体综合观测、海洋环境安全保障提供观测技术方法与先进平台支持[4]。但是，传统帆船的柔性帆在面对海洋恶劣的环境以及无人帆船长航时，大范围，高寿命的设计要求时[5]，其局限性越来越明显。主要原因有：1）在理想攻角下，柔性帆最大升力系数在0.8左右[6]，实际航行中，最大升力系数在0.6～0.7之间，升力系数较小；2）当帆侧迎风时，柔性帆容易发生空气弹性变形[7]；3）不易操纵船帆转变攻角[8]。针对传统帆船柔性帆的不足，研究人员研发了一种带有襟翼的刚性翼帆无人帆船[5][9]，其无人帆船三维模型如图1所示。

图1 无人帆船示意图

此种无人帆船的动力装置为刚性翼帆，翼帆包含主帆和襟翼，主帆为无人帆船提供主要的动力，襟翼用来控制主帆的转向[10]。在翼帆上安装有襟翼执行器等智能控制系统，当微气象仪检测到风向和风速突然变化时，通过启动襟翼执行器调整襟翼的角度，在力矩的作用下，使主帆自动调整到最佳迎风角，不需要专门的转向装置控制主帆的旋转。采用刚性翼帆，使得船帆具有稳定的外形、气动效果好、升力系数大、响应速度快、良好的结构和安全特性等优点[11]。刚性翼帆弥补了传统柔性帆升力系数小、易变形、不易控制转向等方面的不足，具有较好的应用前景。本文运用Fluent软件和ANSYS Workbench软件对刚性翼帆的气动性能进行分析研究，为无人帆船的推力优化和自主航行控制提供了性能数据，该项目是航空理论在航海领域的应用，对于探索海洋具有重要的意义。

1 翼帆的参数化处理与配置方案分析

1.1 参数化处理

帆船主帆既要承受左舷来风，又要承受右舷来风，因此要求主帆是对称的翼型，NACA0021翼型[12]具有良好的升阻比性能以及较大的失速攻角，将其设置为主帆翼型，襟翼选用NACA0018翼型[13]。为了便于分析，在考虑升力系数、升阻比、气动中心等要求的情况下，将翼帆视为一个单独的模型。在SolidWorks中将翼帆设计参数设置为全局变量“DS_D_”的形式，实现了SolidWorks与ANSYS之间的参数连接。

1.2 不同配置的翼帆

如图2所示为3种初步设计的翼帆配置方案[14]。A型翼帆是与飞机机翼类似的常规翼帆，结构简单。B型翼帆的主帆外形为锥形，采用锥形可以降低主帆根部的弯曲载荷并降低重心。C型翼帆是装配了集成到主帆上的襟翼[15]，一体式结构增加了翼帆的结构强度并且减小了翼帆的旋转半径。

图2 不同的翼帆配置

不同配置翼帆的设计参数以及翼帆的气动性能参数如表1所示。

表1 设计参数及翼帆气动性能参数

如图3所示，桅杆Q设在主帆弦长的1/4处，b为主帆翼展、ct为翼尖弦、cr为翼根弦，翼帆配备一个襟翼，距离桅杆的长度为d1，高度为d，襟翼的翼展b`和弦c`长与主帆成比例，主帆的气动中心用一个红色的点标出。

图3 设计参数

定义主帆展弦比AR为：

根据翼尖弦和翼根弦之间的关系定义锥度比τ为：

前倾角φ如图2(C)所示，气动中心AC的位置用它的高度位置与主帆翼展长度的百分比表示。

2 翼帆的气动性能研究

2.1 模型的建立

翼帆主帆翼展为1800mm，弦长为450mm，襟翼的大小初步设置为主帆大小的10%[16]。

2.2 网格划分

如图4所示，在Fluent软件中设置流体域的上下边界为15倍的弦长，左右边界为35倍的弦长。为了保证近壁面处的计算精度，对翼型表面区域网格进行加密处理。

图4 网格划分示意图

2.3 网格独立性检验

为了在提高计算效率的同时保证仿真结果的准确性，在流场风速为8m/s，攻角为10°的情况下，选用SST k-外流场模型对主帆进行CFD分析，得到不同网格数目下的翼型升力系数和阻力系数。网格独立性检验结果如表2所示，由表2可知，当网格的数目设置在左右时，翼型的升力系数以及阻力系数基本不再变化。这使得仿真结果不会因为增加网格数量而产生变化，因此，在之后的仿真分析过程中，将主帆网格数目设置在左右。

表2 网格独立性检验

2.4 襟翼位置对翼帆气动性能的影响

选取流场风速为8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏转角7°，襟翼位置与的参数变动范围如表3所示，通过Fluent计算分析，得到襟翼位置对翼帆升力系数的影响规律，如图5所示。

图5 襟翼位置对升力系数的影响

表3 襟翼位置参数变动范围

根据图5所示，可以得出以下结论：

1）襟翼的左右位置对翼帆的升力系数产生影响。在襟翼离主帆较近时，襟翼阻碍了主帆尾流流场的平滑流动，如图6(a)所示，从而减少主帆产生的升力。将襟翼放置在距离主帆较远的位置时，襟翼不影响主帆流场流动，对主帆升力系数影响较小，如图6(b)所示。然而，过远的襟翼位置将会使得翼帆的重心向后移动，同时也会加大翼帆的旋转半径，翼帆在旋转时易碰到其他设备或者船只。

图6 主帆周围流场流动状况

2）襟翼的上下位置对翼帆的升力系数不产生影响，可以将襟翼放在较低的位置，降低翼帆的重心。

2.5 展弦比、锥度比对翼帆气动性能的影响

选取流场风速为8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏转角7°，襟翼位置d1为1米，d2为0.8米。主帆展弦比和锥度比参数变动范围如表4所示。通过Fluent计算分析，得到主帆展弦比、锥度比对翼帆气动性能的影响规律，如图7～图9所示。

表4 主帆展弦比和锥度比参数变动范围

图7 展弦比对升力系数、阻力系数的影响

图8 展弦比对气动中心高度的影响（以主帆翼展百分比表示）

图9 锥度比对升力系数和升阻比的影响

根据图7～图9所示，可以得出以下结论：

1）展弦比是与主帆平面形状有关的设计参数之一，它影响翼帆升力系数、阻力系数的大小和气动中心的位置。当展弦比大于2时，主帆展弦比增加会导致升力系数的增加，阻力系数的减小，同时，展弦比的增加会增加气动中心的高度。在图8中，气动中心高度从主帆翼展高度的44%增加到48.1%。

2）锥度比也是与主帆平面形状有关的设计参数。在图9中，展弦比保持在4，锥度比在0.2～1.0之间变化，锥度比对升力系数以及升阻比产生影响，其升阻比变化约为6%。试验结果还表明，主帆锥度比τ=0.45时，翼帆拥有较大的升阻比和较佳的气动性能。

2.6 倾斜角对翼帆气动性能的影响

设置C型翼帆高度和展弦比与A 型翼帆相同（b=1800，AR=4）。通过计算襟翼控制主帆旋转所需要的恢复力矩，发现面积是主帆面积10%的襟翼（如在A型翼帆中）将无法为C型翼帆提供足够的恢复力矩。因此，将C型翼帆襟翼尺寸增加至主帆尺寸的20%。选取流场风速为8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏转角7°，主帆倾斜角的参数变动范围如表5所示。通过Fluent计算分析，得到主帆倾斜角对翼帆气动性能的影响规律，如图10所示。