一種新型水上減阻仿生技術研究

白向華，呂建剛，高 飛，任伯峰

（1軍械工程學院，河北 石家莊 050003；2 63880部隊，河南 洛陽 471003）

1 引 言

目前，兩棲車輛主要為排水型，在接近15 km/h時會出現嚴重的“埋首”現象，即出現工程上所謂的“阻力墻”和“速度極限”，導致阻力急劇增大，限制航速進一步提高[1-2]。此時減阻的關鍵是改變兩棲車輛航態，即由排水狀態進入水動力支撐航態[3]，各航態的阻力曲線如圖1所示[4]。安裝水翼或采用氣墊技術可達到上述要求，但水翼復雜的收放機構直接影響兩棲車輛陸上機動性能；氣墊技術所需的動力源、強力風扇令兩棲車輛無法接受；美國EFV戰車采用“變形金剛”式滑板技術和超大功率車用發動機可使兩棲車輛進入滑行狀態（如圖2所示）[4]，但復雜的滑板結構導致可靠性低，且超大功率車載發動機難以實現。

圖1 不同航態兩棲車輛的阻力曲線比較Fig.1 Resistance curve comparison of amphibious vehicle in different sailing status

圖2 EFV托出水面高速滑行狀態Fig.2 High speed sliding status above water of EFV

蛇怪蜥蜴是美洲熱帶雨林中的一種動物[5-6]，其身體密度大于水，經過上億年的進化，能夠依靠兩個腳掌以合適角度、高頻率踩踏水面，形成瞬間氣腔，產生極大的高速固液作用力，支撐蛇怪蜥蜴身體重量并推動其在水面高速奔跑。這種生物水上奔跑原理給兩棲車輛航態改變帶來了啟發。通過研究蛇怪蜥蜴踏水機理，將其應用到兩棲車輛水上航態改變上，為兩棲車輛減阻、提速提供一個新的研究方向。

2 仿生研究

2.1 蛇怪蜥蜴水上奔跑機理

經過上億年的進化，蛇怪蜥蜴單腳連續踩踏水面的頻率可達5-10 Hz，水上通過速度1.5 m/s左右，其在水上高速奔跑時腳掌的踏水過程大致分為三個階段：下踏，后劃，收腿[5-7]。

下踏階段為腳掌與水面開始接觸到垂直向下踏水的過程，主要產生升力；后劃階段指在下踏動作完成后，腳掌向后、向下踩踏水，直至產生脫落渦環進入恢復階段，此階段產生全部推進力和主要升力；收腿階段分為向上收腿和向下彈腿兩部分，向上收腿階段蛇怪蜥蜴必須在氣腔破裂之前把腳從氣腔中縮回避免陷入水中，這是十分關鍵的，向下彈腿階段，蜥蜴主要用來增大下踏速度為下一次踏水的下踏階段做準備，在整個收腿階段蜥蜴腳掌和水并沒產生明顯的作用力[8]。至此，蛇怪蜥蜴完成一次完整的踏水過程，腳掌返回下一踏水周期的下踏階段。如圖3顯示從側面和背面觀察的質量為20.8 g的蜥蜴在一次踏水過程中的三個運動階段，其水面奔跑速度為1.4 m/s[7]。

分析蛇怪蜥蜴踏水過程，發現它主要利用兩個腳掌以合適的角度踩踏水面，形成瞬態水面氣腔（圖3所示），在氣腔破裂前完成腳掌的縮回，兩個腳掌高頻率交替踩踏，形成新氣腔，繼續在新氣腔破裂前收回腳掌，保持踩踏中氣腔不破裂，水面給腳掌極大的固液的作用力，推動其在水面高速奔跑。在麥克馬洪和葛拉辛的研究中[5]，氣腔從產生到破裂的時間在0.08到0.09 s之間，因此蛇怪蜥蜴必須有一個最低踏水頻率。這說明踏水速度和頻率是蛇怪蜥蜴水面奔跑的重要因素，此外還與腳掌面積、踏水角度等因素有關。

圖3 蛇怪蜥蜴踏水過程的各個階段Fig.3 Each phase of a basilisk lizard treading water

2.2 仿蛇怪蜥蜴模型

蛇怪蜥蜴水面奔跑現象揭示了這樣的一個重要原理：在高速、瞬間條件下，固體和液體的相互作用可近似看成固體和固體間的相互作用，會產生極大的作用力。基于仿生學原理，通過觀察和分析蛇怪蜥蜴的水上高速奔跑過程，深入研究蛇怪蜥蜴在水面奔跑時流體和固體相互作用的動力學原理，拋棄以往兩棲車輛排水型浮力方式，在仿真分析和原理試驗基礎上，本文提出了一種新型兩棲車輛減阻技術。

基于此技術，簡化蛇怪蜥蜴踏水模型，如圖4所示[8]，設計以剛性葉片模擬蛇怪蜥蜴腳掌的輪—葉復合式減阻裝置。首先，它與傳統兩棲車輛阿基米德體積排水產生浮力原理不同，其實質是利用仿生葉輪葉片高速連續地拍擊水面，產生向上托舉力F1和水平推進力F2，隨著葉輪的轉速提高，產生固—液作用力不斷增大，將兩棲車輛托舉出水面，進入滑行狀態，從而回避“阻力墻”現象，基本原理如圖5所示。

圖4 蛇怪蜥蜴踏水基本原理Fig.4 Basictheory analysis of basilisk lizard treading water

圖5 輪—葉復合式減阻裝置基本原理圖Fig.5 Basic theory of the wheel-blade compound reducing resistance equipment

3 減阻技術分析

3.1 仿真分析

為驗證設想裝置的作用效果，課題組人員應用流體仿真軟件Fluent中的動網格技術，VOF模型及UDF函數對新型輪—葉復合式減阻裝置水動力性能進行運動仿真，首先從理論上驗證減阻技術的可行性。

（1）應用Pro/E軟件建立減阻裝置三維造型，其主要參數：旋轉軸（圖6中1）直徑8 cm；連接桿（圖6中2）長 20 cm；葉片（圖6中 3）長 20 cm，葉片數共 4個；連接桿與葉片的夾角（圖6中4）為120°。采用GAMBIT軟件進行網格劃分，如圖6所示。

圖6 輪—葉復合式減阻裝置三維造型和網格劃分Fig.6 Three dimension sculpt and gridding partition of the wheel-blade compound reducing resistance equipment

（2）本文將輪—葉復合式減阻裝置的旋轉運動視為二維不可壓非定常流動，仿生葉輪軸向取單位長度處理，采用時均形式的連續方程，Reynolds時均Navier-Stokes方程和標量φ的時均輸運方程，描述為：

其中，非定常湍流計算采用RNG κ-ε湍流模型[9]，該模型能很好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。在初始化過程中將上半部分設為空氣，下半部分為水。

設葉輪旋轉軸中心與水平面距離為浸水深度h，連接桿與葉片夾角為θ。分析在不同浸水深度h、夾角θ和轉速ω下，輪-葉復合式減阻裝置的水動力性能。

（3）首先設輪—葉復合式減阻裝置浸水深度h分別為-0.20 m、0 m和0.2 m（處于水—氣兩相介質中），夾角θ=120°，ω=5 rad/s時，仿真分析減阻裝置此時的水動力性能，如圖7、圖8所示。

圖7 不同浸水深度產生的托舉力Fig.7 Lift force when in different deepness in water

圖8 不同浸水深度產生的推進力Fig.8 Propulsive force when in different deepness in water

從圖7、圖8分析得出，在一個旋轉周期內，h=0 m時產生的平均推進力和托舉力均最大，h=-0.2 m、h=0.2 m時相對較小。

圖9為0.65 s時刻仿生葉輪進水深度h=0.2 m時的體積分數分布圖，顯示此時仿生葉輪水中狀態；圖10為該時刻各仿生葉片的壓力云圖，兩側壓力差對葉片面積的積分即為單個葉片受力大小，進而可求整個仿生葉輪所受到的托舉力和牽引力。

圖9 h=0.2 m時的體積分數分布圖Fig.9 Volume fraction distributing when h is 0.2 m

圖10 h=0.2 m時的壓力云圖Fig.10 Stress nephogram when when h is 0.2 m

圖11 不同夾角減阻裝置產生的托舉力Fig.11 Lift force when in different angle

圖12 不同夾角減阻裝置產生的推進力Fig.12 Propulsive force when in different angle

（4）設仿生葉輪浸水深度 h=0 m，ω=5 rad/s，夾角條件 θ為 105°、120°和 135°時，仿真分析減阻裝置的水動力性能，如圖11、圖12所示。從圖 11、 圖 12分析得出，θ=135°時仿生葉輪產生的平均推進力最大，θ=120°、105°依次減小；θ=105°時產生的平均托舉力最大，θ=120°、135°時依次減小；當θ增加時，推進力增大，托舉力相應減小。

圖13 不同轉速時減阻裝置產生的托舉力Fig.13 Lift force when in different rotated speed

圖14 不同轉速時減阻裝置產生的推進力Fig.14 Propulsive force when in different rotated speed

（5）設輪—葉復合式減阻裝置浸水深度為h=-0.4 m（完全處于水下），θ=120°，ω分別為5 rad/s、10 rad/s和20 rad/s時，仿真分析此狀態下的水動力性能，如圖13、圖14所示。

從圖13和圖14可以看出在不同轉速ω下，減阻裝置產生的托舉力和推進力是不同的。隨著轉速ω的增大，產生的托舉力和推進力呈增大的趨勢，如轉速ω=20 rad/s時產生的托舉力和推進力明顯大于ω=5 rad/s時產生的作用力。但隨著轉速ω的增大，力的周期變小，且震蕩性加強。

（6）動態仿真分析

在以上靜態仿真的基礎上，進行仿生葉輪自由運動的動態仿真分析。設定仿生葉輪尺寸縮小至原尺寸的1/4，質量為2 kg，設轉速ω分別為5 rad/s、10 rad/s和20 rad/s時，仿真分析此狀態下的運動性能，此時的水氣兩相圖體積分布圖如圖15所示。

圖15 不同轉速時的體積分數分布圖Fig.15 Volume fraction distributing when indifferent rotated speed

由上圖可看出，在其他參數恒定情況下，轉速ω對仿生葉輪的托舉力產生有很大的影響。當ω=5 rad/s時仿生葉輪會沉入水中，ω=10 rad/s和ω=20 rad/s仿生葉輪能夠保持浮在水面，且ω=20 rad/s時產生的托舉力更大，使得仿生葉輪中心被托舉得更高。由此可見，轉速ω是仿生葉輪水動力性能的關鍵因素，在本動態仿真設定參數下的仿生葉輪，確保其浮在水面上其臨界轉速范圍在5-10 rad/s之間。

（7）仿真結果分析

①設想的輪—葉復合式減阻裝置能夠產生向上的托舉力和向前的推進力；

②減阻裝置在不同浸水深度h和夾角θ時產生的推進力和托舉力不同，其中θ增大時，托舉力減小，推進力增大；

③轉速ω是十分重要的物理參量，隨著轉速ω增大，產生的托舉力不斷增大，且周期縮短。

3.2 試驗論證

在仿真分析的基礎上，進一步開展了輪—葉復合式減阻裝置原理試驗，試驗效果良好。

圖16 帶箱體減阻原理試驗Fig.16 Theory test of the reducing resistance with trunk

試驗一：課題組研究設計了仿生葉輪機構，采用兩個電機驅動單組仿生葉輪機構，電機功率為0.25 kW，額定轉速為300 r/min，箱體內包括2塊充電電瓶，電機和傳動裝置總質量30 kg。開始時，整個機構沉入水中，如圖16（a）所示；通電后，葉輪拍打水面，箱體被托起一定角度，如圖16（b）所示。經浮力實驗測試，在水中將箱體一端提升到相同角度需要150 N的作用力，即采用額定功率為0.25 kW的電機產生了150 N的托舉力。

實驗二：課題組用四個電機制作了無排水浮箱的雙組仿生葉輪機構，每個電機額定功率為0.25 kW，額定轉速為300 r/min，總質量約25 kg。未加電時，由于重力大于浮力，葉輪及電機沉入水中如圖17（a）所示；剛開始啟動瞬間，產生瞬態氣腔，與蛇怪蜥蜴踏水吻合，如圖17（b）中箭頭所示；當轉速設定為2 r/s時，因轉速較低，仿生葉輪機構未能完全托起，如圖17（c）所示；當轉速增加至5 r/s，因葉輪轉速提高產生更大的托舉力，整個機構被完全托出水面，仿生葉輪幾乎與水面相切，提升效果良好，如圖 17（d）所示。

圖17 不帶箱體減阻原理試驗Fig.17 Theory test of the reducing resistance without trunk

試驗結果表明：轉速ω是影響仿生葉輪水動力性能的非常重要因素，轉速ω越大產生的固液作用力也就越大；在較小輸出功率下，依靠仿生葉輪與水的高速作用產生的托舉力，可把較大重量的車體托出水面，進入滑行狀態，從而避開“阻力墻”現象，達到減小水阻力的目的。

4 結 語

本文提出了一種基于蛇怪蜥蜴踏水機理的兩棲車輛減阻技術，分析了仿生葉輪在不同入水深度h、夾角θ和轉速ω等參數下的水動力性能，并著重討論了ω轉速對仿生葉輪水動力性能的重要影響。通過理論分析和原理試驗論證，本文提出的減阻技術在主要原理上是可行的，能夠在不具備超大功率車載發動機和滑板技術的情況下改變車體航態，從而巧妙地避開兩棲車輛遇到的“阻力墻”現象，達到了減阻、增速的效果。

在后面的研究中，我們將進一步優化仿生葉輪的葉片形狀、尺寸、材質等，使得仿生葉輪最大程度地模擬蛇怪蜥蜴的踏水原理，實現水動力性能和機械傳動性能最優。

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