水下扇翼推進(jìn)器及其橫流風(fēng)扇設(shè)計參數(shù)選取
近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所海洋信息技術(shù)裝備中心研發(fā)團(tuán)隊聯(lián)合新加坡國立大學(xué)（National University of Singapore）、英國約克大學(xué)（University of York），在水下扇翼推進(jìn)器領(lǐng)域研究取得新進(jìn)展。成果以《橫流風(fēng)扇對水下扇翼推進(jìn)器水動力學(xué)和聲學(xué)特性的影響》為題發(fā)表在海洋工程領(lǐng)域國際頂級期刊《海洋工程》上。
科研人員研究了水下扇翼推進(jìn)器的核心零部件橫流風(fēng)扇對于其水動力學(xué)特性和水聲學(xué)特性的影響。通過將橫流風(fēng)扇的幾何截面抽象為葉片數(shù)、內(nèi)外徑比、葉片內(nèi)角和葉片外角等四個參數(shù)，結(jié)合計算流體力學(xué)仿真、拖曳實驗和理論分析，研究了不同航速和橫流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下四個參數(shù)的變化情況，得到了四個參數(shù)的作用及設(shè)計準(zhǔn)則，進(jìn)而總結(jié)得到了橫流風(fēng)扇對于水下扇翼推進(jìn)器的水動力學(xué)和水聲學(xué)特性的影響。
研究表明，橫流風(fēng)扇最基本的功能為使流體可以順暢地流入和流出水下扇翼推進(jìn)器。葉片內(nèi)角和葉片外角對流體的流入和流出橫流風(fēng)扇起到主要作用。水下扇翼推進(jìn)器做功充分與否主要受橫流風(fēng)扇內(nèi)外徑比的影響。葉片內(nèi)角和外角在不同工況下對水下扇翼推進(jìn)器的影響不同。葉片數(shù)量是對水下扇翼推進(jìn)器水聲學(xué)特性影響最大的因素。對于水下扇翼推進(jìn)器的橫流風(fēng)扇的設(shè)計，葉片數(shù)量應(yīng)不小于22片（橫流風(fēng)扇外徑60毫米），內(nèi)外徑比應(yīng)在[0.65,0.75]區(qū)間內(nèi)。當(dāng)水下扇翼推進(jìn)器作為水下航行器的主推進(jìn)器時，葉片內(nèi)角的最優(yōu)區(qū)間應(yīng)為[-30 ,-20 ]，葉片外角的最優(yōu)區(qū)間應(yīng)為[30 ,70 ]。當(dāng)水下扇翼推進(jìn)器為水下航行器的輔助推進(jìn)器時，葉片內(nèi)角的最優(yōu)區(qū)間應(yīng)為[-10 ,10 ]，葉片外角應(yīng)為[5 ,30 ]。
2018年，海洋信息裝備中心研究團(tuán)隊在學(xué)界首次提出了水下扇翼推進(jìn)器的概念。此后，團(tuán)隊先后就水下扇翼航行器的設(shè)計、水下扇翼推進(jìn)器的水動力學(xué)特性、固定機(jī)翼的影響和橫流風(fēng)扇的影響展開基礎(chǔ)性研究。該推進(jìn)形式有望解決水下航行器在高航速下垂向和側(cè)向機(jī)動不足的問題。
該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略高技術(shù)創(chuàng)新基金、國家留學(xué)基金委、新加坡學(xué)術(shù)研究基金、機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室等的大力支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2021.110078
