基于蛇怪蜥蜴踏水機理的水面推進技術研究

白向華，呂建剛，高 飛，趙志寧

（1.軍械工程學院，石家莊 050003；2.總參炮兵訓練基地，河北 宣化 075100）

0 引 言

目前，世界現役兩棲車輛水上推進速度一般低于15km／h，主要原因為現役兩棲車輛均為排水型，排水型車輛航速接近15km／h時，會出現“阻力墻”現象，導致水阻力急劇增大，如圖1所示［1］。即使大幅度提高發動機輸出功率，水上推進速度也很難進一步提升［1-2］。因此，如何減小水面阻力是提高兩棲車輛航速的重要途徑。

國內有關減阻文獻［3-7］主要從改變兩棲車輛形狀，如添加前后防浪板、車輪懸掛、改變車首角度等方式減少航行阻力，但車輛整體上還處于排水狀態，“阻力墻”現象仍舊無法克服。

美軍新一代EFV 遠征戰車水上最大航速達到46.6km／h，是傳統兩棲車輛航速的3 倍多［8］。究其原因為：EFV 遠征戰車水上行駛時將會變成一個大型沖浪滑板，加上超大功率的噴水推進器，使車體完全進入滑行航態，從而越過“阻力墻”，大大減小水阻力，實現高速航行，如圖2［1］。

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

由此可見，改變兩棲車體水中航態，使其由排水狀態經過渡狀態、最終進入高速滑行狀態（如圖1所示），是解決目前兩棲車輛因" 阻力墻" 而航速過低的有效方法。

圖2 EFV 流體阻力-速度曲線Fig.2 Liquid resistance-velocity curves of EFV

1 推進技術研究

1.1 滑行航態分析

根據航行原理，水面航行船（車）體的運動狀態劃分主要取決升力相對于排水量的大小。當車輛航速的體積弗勞德數Fr＞3.0時稱為滑行狀態，在這種狀態下航行時，車體幾乎離開水面，浮力很小，其重量的90%與流體動力作用相平衡［9］。滿足近似式

式中：m為車體質量，Rg為流體動力產生的升力。

此狀態下，車體被高速航行產生的水動力托出水面，水阻力保持在一個穩定狀態，如圖1所示。除非具有專門的車體外形（如EFV 滑板型車底，圖3 所示）和超大功率發動機，可以實現水上高速滑行狀態（圖4所示）；否則，對于傳統排水型車輛（圖5所示）很難實現這種水上高速滑行狀態。

1.2 仿生分析

圖3 EFV 滑板型車底Fig.3 Smooth-board shape of EFV bottom

圖4 EFV 托出水面高速滑行狀態Fig.4 High speed sliding status above water of EFV

圖5 傳統排水型兩棲車輛水中航行狀態Fig.5 Sailing status in water of traditional drainage amphibious vehicle

現代仿生技術為突破傳統排水型車輛的“阻力墻”現象帶來靈感和希望。美洲熱帶雨林生活的蛇怪蜥蜴［10-11］是一種能夠在水面高速奔跑的動物，身體密度大于水，經過上億年的進化，其能夠依靠兩個腳掌高頻率地踩踏水面，實現在水面上的高速奔跑，如圖6所示。它利用兩個腳掌面積以合適的角度、高頻率踩踏水面，產生向前的奔跑力和向上的托舉力，使得蛇怪蜥蜴在水面奔跑如履平地。

圖6 蛇怪蜥蜴高速踏水奔跑過程Fig.6 Course of basilisk lizard treading water at high speed

此向上托舉力的產生機理與艦船、兩棲車輛阿基米德排水浮力原理有本質的不同，它揭示了這樣的一個重要原理：在高速條件下，固體和液體的相互作用實質上與固體和固體的相互作用相同，會產生極大的作用力。我們可利用這一機理進行兩棲車輛航態改變技術研究。

1.3 推進原理分析

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，提出了一種新型兩棲車輛推進技術。

基于此技術設計了一種輪-葉復合式推進裝置。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，隨著葉輪轉速的提高，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，從而避開“阻力墻”達到減小水阻力的目的，基本原理如圖7所示。

圖7 輪-葉復合式推進裝置基本原理圖Fig.7 Basic principle diagram of the wheel-blade compound propulsive equipment

1.4 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-葉復合式推進裝置水動力性能進行運動仿真，先從理論上驗證減阻推進技術的可行性。

（1）應用Pro／E軟件建立推進裝置三維造型，采用GAMBIT 軟件進行網格劃分，如圖8所示。

圖8 輪-葉復合式推進裝置三維造型和網格劃分Fig.8 Three dimensional sculpt and gridding partition of the wheel-blade compound propulsive equipment

（2）將輪-葉復合式推進裝置的旋轉運動視為二維不可壓非定常流動，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：

式中：ui，uj為速度分量時均值（i，j=1，2）；p為壓力時均值；ρ為流體密度；μ為流體粘性系數；為雷諾應力項；φ為通用變量；Γ為廣義擴散系數；S為廣義源項。

其中，非定常湍流計算采用RNGκ-ε湍流模型［12］，該模型很好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。利用UDF 定義輪-葉復合式推進裝置角速度ω=5rad／s；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或夾角θ下，輪-葉復合式推進裝置的水動力性能。

（3）首先設輪-葉復合式推進裝置浸水深度為h=-0.4m（完全處于水下），θ=120°，仿真分析此狀態下的水動力性能，如圖9～11所示。

圖9 下潛狀態產生的托舉力和推進力Fig.9 Propulsive force and lift force when submerging

圖10 下潛時的體積分數分布圖Fig.10 Volume fraction distribution when submerging

圖11 下潛時的壓力云圖Fig.11 Pressure nephogram when submerging

如圖9中所示，選取0～1.65s內1650個時間節點，仿真得出各時間節點輪-葉復合式推進裝置的力學特性，其中上半部分為托舉力，下半部分為推進力。可以看出，推進裝置在完全置于水下（圖10顯示此時葉輪的水中狀態）旋轉時，產生近似正弦或余弦的向上托舉力和向前的推進力，兩者呈周期性波動。其中托舉力最大值為513.29N，推進力最大值達到451.65N，并且托舉力和推進力大部分處于正值范圍內，由此可見通過仿生葉輪轉動，可實現車體從水下托出水面，進入滑行狀態。圖11為0.75s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。

（4）仿生葉輪浸水深度h分別為-0.20m、0m、0.2m（處于水-氣兩相介質中），夾角θ=120°時，仿真分析推進裝置的水動力性能，如圖12和13所示。

圖12 不同浸水深度產生的托舉力Fig.12 Lift force at different deepness in water

圖13 不同浸水深度產生的推進力Fig.13 Propulsive force at different deepness in water

從圖14和15分析得出，在一個旋轉周期內，h=0m 時產生的平均推進力和托舉力均最大，h=-0.2m、0.2m 時相對較小，其中牽引力在h=0.2m 時最小。這是由于此狀態下仿生葉輪拍打的水體積較少，故作用力較小，與實際相符。

（5）設仿生葉輪浸水深度h=0，夾角條件θ為105°、120°和135°時，仿真分析推進裝置的水動力性能，如圖14和15所示。

從圖11和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。可得到當θ增加時，推進力增大，托舉力相應減小。

圖14 不同夾角推進裝置產生的托舉力Fig14 Lift force at different angles

圖15 不同夾角推進裝置產生的推進力Fig15 Propulsive force at different angles

（6）仿真結果分析：①設想的輪-葉復合式推進裝置能夠產生向上的托舉力和向前的推進力；②推進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隨著ω增大，產生的托舉力不斷增大，定能將兩棲車輛托出水面，進入滑行狀態，從而減小水阻力。 由此可見，基于蛇怪蜥蜴踏水機理設計的新型輪-葉復合式兩棲車輛水上推進裝置在理論上是可行的。

1.5 試驗論證

在仿真分析的基礎上，進一步開展了輪-葉復合式推進裝置原理試驗，試驗效果良好。

試驗一：課題組研究設計了仿生葉輪機構，采用兩臺電機驅動單組仿生葉輪機構，電機功率為0.25kW，箱體內包括2塊充電電瓶，電機和傳動裝置總質量30kg。開始時，整個機構沉入水中；通電后，葉輪拍打水面，箱體被托起一定角度，如圖16（a）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150N 的作用力，即采用額定功率為0.25kW 的電機產生了150N 的托舉力。

實驗二：課題組用4臺電機制作了無排水浮箱的雙組仿生葉輪機構，每臺電機額定功率為0.25kW，總質量約25kg。未加電時，由于重力大于浮力，葉輪及電機沉入水中；加電后，因葉輪轉速提高而托起整個機構，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16（b）所示。

圖16 推進原理試驗Fig.16 Principle tests of the propulsion

先期試驗效果表明，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，從而減小水阻力。據此原理，若采用大功率發動機，產生的托舉力足以將渡海車輛托舉出水面，進入滑行狀態。因此，所設想的輪-葉復合式兩棲車輛水上推進技術，在原理上具有可行性。

在以后的研究中，將進一步優化仿生葉輪的結構、參數、材質等，使得仿生葉輪的水動力性能和機械傳動性能達到最優。

2 結束語

通過理論分析和原理試驗論證，提出的基于蛇怪蜥蜴踏水機理的輪-葉式兩棲車輛水上推進技術達到了預期的設想，能夠在不具備大功率車載發動機和復雜滑板技術的情況下，通過改變航態，巧妙地避開了兩棲車輛提速過程中遇到的“阻力墻”現象，大大減小水阻力，有利于航速的大幅度提升。此外，該技術原理還可用于船舶等其他排水型載具的水上推進研究。

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