基于科恩達效應的水下無槳葉推進器的實驗與研究

裴雷 沈宇 譚玉箭

摘 要：基于科恩達效應的水下無槳推進器的研究在水下機器人和船舶領域是一種全新的技術，在能夠很好地提高推進器推進能量轉化效率的基礎上，為同類水下推進器中的首創。本文以克服傳統螺旋槳推進器噪音大，效率不高，產生空泡，易被纏繞等缺點為目的，利用科恩達效應，設計了一套結構簡單、運行平穩、容易控制的水下無槳推進器方案，通過建立運動坐標系，利用solidworks軟件建立三維模型進行分析，仿真模擬，結合ANSYS、FLUENT流體分析等技術進行研究分析。

關鍵詞：水下機器人；科恩達效應；無槳推進；建模分析；仿真分析；樣機實驗

1 水下機器人的背景：

水下推進器種類繁多，按照原理不同，有普通螺旋槳，導管螺旋槳。普通的螺旋槳可分為定距螺旋槳、可調螺距螺旋槳和對轉螺旋槳。定距螺旋槳：即固定螺距的螺旋槳。其結構簡單，耐用，維護簡單，但其螺距不可的變，只有在某特定轉速時，效率最高。可調螺距螺旋槳：即螺距可調節的螺旋槳。其能根據航速而改變，但其結構復雜，造價昂貴，維護不變。對轉螺旋槳：即在同一轉軸上安裝前后兩只轉向相反的螺旋槳。其能提高推進效率，但是結構復雜材料受限。導管螺旋槳：通過在普通螺旋槳外緣加裝一機翼型截面的圓形導管而成。導管可提高螺旋槳的推進效率，但導管與船體之間要做固體連接，導管內壁和螺旋槳葉梢間隙很小，水草雜物易進入。此外，螺旋槳推進器不僅運行噪音大、能量轉換效率低，還造成了很多負面影響，如卷入水生物等，容易傷人及水中生物，嚴重破環了水下環境，且螺旋槳推進器被水草等水生物纏繞后停止運行，其動力裝置的維修和替換也給相關企業帶來了高昂的成本支出，降低了企業利潤。除此之外，目前多數水下機器人均附有纜繩，而纜繩極易纏繞，且水下無法實現電磁波通信和遠距離作業。

隨著水下推進器的發展也出現了噴水推進器、噴氣推進器。噴水推進器是利用噴出的水反作用力來產生推力的推進器。噴水推進器由水泵、吸水管道、噴水管道組成，其機械部分裝于船內，得到良好保護。但噴管因直徑受限、管路及水泵效率不高，整個系統效率低。噴氣推進器是一種利用由動力裝置產生的高壓氣流直接作用于水，從而提高船體效率的推進器。但因需要強大的氣流，需要大量的能量，最終能量轉換效率低。

針對以上行業發展缺陷，從長遠的角度出發，設計出一款利用科恩達效應的水下無槳推進器，既能直接作為其動力裝置用于水下機器人的運行，也可直接使用在船舶上，使其航行的同時，避免傷害水生物以及自身，符合未來行業發展的潮流。用無槳推進器替代傳統螺旋槳推進器，具有大范圍活動、深度潛水、不怕電纜纏繞、可輕松進入復雜結構中、占用甲板面積小等優點。并提高水中推進操控性能和水環境交互性能，可用于軍用潛艇，魚雷；實現靜態觀測；結合圖像處理，智能決策等技術，完成水中目標追蹤，水中救援等任務，可進行戶外水中探測或水中檢測，或進行擴展開發，完成路徑規劃，任務分配，姿態控制等任務的研究與試驗。

2 基本原理：

科恩達效應已經在航空航天中廣泛應用，注意到科恩達效應不僅僅對于氣流有實際作用，對于水流也同樣是有效的，所以由此出發利用科恩達效應設計無槳推進器。

水下無槳推進器主要應用了科恩達效應，即：當流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦時（也可以說是流體粘性），只要曲率不大，流體會順著物體表面流動。我們根據該效應設計的無槳推進器的結構圖如下，主要由進水口、增壓裝置、內部管道、環形出水口四部分組成。在水下無槳推進器的底座上，設有入水口，該入水口可以在一定時間內使較多的水流入推進器的內部涵道中。在靠近入水口附近的涵道里，設置一個壓縮裝置，該壓縮裝置采用渦輪結構，可使用無刷或者直流電機作為渦輪的動力來源，該壓縮裝置使得大量水吸入推進器的內部涵道中，并將水加速。最后，被增壓和加速的水流1通過無槳推進器環形出水口內唇2環繞射出，射出后的水流3帶動環形出水口后方的水流4隨之進入推進器環形中空的部分（在此過程中具有科恩達效應），并以高速度向外射出。以此獲得反作用力，實現推力。

無槳推進器出水口示意圖

3市場應用：

利用科恩達效應的水下無槳推進器可應用于軍用領域、民用領域等各個領域具有不會產生空泡效應、噪音小，占用甲板面積小、不需要龐大的水面支持，可大范圍活動、水下深潛、輕松進入復雜結構等多種優勢。

參考文獻

[1] Basant Kumar Sahu，Bidyadhar Subudhi. Adaptive tracking control of an autonomous underwater vehicle[J]. International Journal of Automation and Computing，2014，113：.

[2] Shusheng Bi，Chuanmeng Niu，Yueri Cai，Lige Zhang，Houxiang Zhang. A waypoint-tracking controller for a bionic autonomous underwater vehicle with two pectoral fins[J]. Advanced Robotics，2014，2810：.

[3] 徐玉如，李彭超. 水下機器人發展趨勢[J]. 自然雜志，2011，03：125-132+2.

作者簡介：裴雷（1997-），男，漢族，鄭州大學機械工程學院2016級學生