無人帆船的翼帆氣動性能研究

李森茂，管殿柱*，趙大剛，夏 濤，季建華

（1.青島大學 機電工程學院，青島 266071；2.自然資源部海洋生態環境科學與技術重點實驗室，青島 266061）

0 引言

近年來，隨著全球石油價格的逐漸上升以及人們環境保護意識的加強，風能、太陽能和潮汐能等清潔能源引起了各行各業的關注。同時，海洋面臨著海水富營養化、酸化和缺氧等一系列問題[1]。以風能為動力的無人帆船具備在海上長時間自主運行的能力，可以用來調查海洋資源和環境監測[2]，也可以用在海岸巡邏、海洋取樣和氣象調查等方面[3]。無人帆船在海洋實際應用方面具有較大的潛力，為海洋立體綜合觀測、海洋環境安全保障提供觀測技術方法與先進平臺支持[4]。但是，傳統帆船的柔性帆在面對海洋惡劣的環境以及無人帆船長航時，大范圍，高壽命的設計要求時[5]，其局限性越來越明顯。主要原因有：1）在理想攻角下，柔性帆最大升力系數在0.8左右[6]，實際航行中，最大升力系數在0.6～0.7之間，升力系數較小；2）當帆側迎風時，柔性帆容易發生空氣彈性變形[7]；3）不易操縱船帆轉變攻角[8]。針對傳統帆船柔性帆的不足，研究人員研發了一種帶有襟翼的剛性翼帆無人帆船[5][9]，其無人帆船三維模型如圖1所示。

圖1 無人帆船示意圖

此種無人帆船的動力裝置為剛性翼帆，翼帆包含主帆和襟翼，主帆為無人帆船提供主要的動力，襟翼用來控制主帆的轉向[10]。在翼帆上安裝有襟翼執行器等智能控制系統，當微氣象儀檢測到風向和風速突然變化時，通過啟動襟翼執行器調整襟翼的角度，在力矩的作用下，使主帆自動調整到最佳迎風角，不需要專門的轉向裝置控制主帆的旋轉。采用剛性翼帆，使得船帆具有穩定的外形、氣動效果好、升力系數大、響應速度快、良好的結構和安全特性等優點[11]。剛性翼帆彌補了傳統柔性帆升力系數小、易變形、不易控制轉向等方面的不足，具有較好的應用前景。本文運用Fluent軟件和ANSYS Workbench軟件對剛性翼帆的氣動性能進行分析研究，為無人帆船的推力優化和自主航行控制提供了性能數據，該項目是航空理論在航海領域的應用，對于探索海洋具有重要的意義。

1 翼帆的參數化處理與配置方案分析

1.1 參數化處理

帆船主帆既要承受左舷來風，又要承受右舷來風，因此要求主帆是對稱的翼型，NACA0021翼型[12]具有良好的升阻比性能以及較大的失速攻角，將其設置為主帆翼型，襟翼選用NACA0018翼型[13]。為了便于分析，在考慮升力系數、升阻比、氣動中心等要求的情況下，將翼帆視為一個單獨的模型。在SolidWorks中將翼帆設計參數設置為全局變量“DS_D_”的形式，實現了SolidWorks與ANSYS之間的參數連接。

1.2 不同配置的翼帆

如圖2所示為3種初步設計的翼帆配置方案[14]。A型翼帆是與飛機機翼類似的常規翼帆，結構簡單。B型翼帆的主帆外形為錐形，采用錐形可以降低主帆根部的彎曲載荷并降低重心。C型翼帆是裝配了集成到主帆上的襟翼[15]，一體式結構增加了翼帆的結構強度并且減小了翼帆的旋轉半徑。

圖2 不同的翼帆配置

不同配置翼帆的設計參數以及翼帆的氣動性能參數如表1所示。

表1 設計參數及翼帆氣動性能參數

如圖3所示，桅桿Q設在主帆弦長的1/4處，b為主帆翼展、ct為翼尖弦、cr為翼根弦，翼帆配備一個襟翼，距離桅桿的長度為d1，高度為d，襟翼的翼展b`和弦c`長與主帆成比例，主帆的氣動中心用一個紅色的點標出。

圖3 設計參數

定義主帆展弦比AR為：

根據翼尖弦和翼根弦之間的關系定義錐度比τ為：

前傾角φ如圖2(C)所示，氣動中心AC的位置用它的高度位置與主帆翼展長度的百分比表示。

2 翼帆的氣動性能研究

2.1 模型的建立

翼帆主帆翼展為1800mm，弦長為450mm，襟翼的大小初步設置為主帆大小的10%[16]。

2.2 網格劃分

如圖4所示，在Fluent軟件中設置流體域的上下邊界為15倍的弦長，左右邊界為35倍的弦長。為了保證近壁面處的計算精度，對翼型表面區域網格進行加密處理。

圖4 網格劃分示意圖

2.3 網格獨立性檢驗

為了在提高計算效率的同時保證仿真結果的準確性，在流場風速為8m/s，攻角為10°的情況下，選用SST k-外流場模型對主帆進行CFD分析，得到不同網格數目下的翼型升力系數和阻力系數。網格獨立性檢驗結果如表2所示，由表2可知，當網格的數目設置在左右時，翼型的升力系數以及阻力系數基本不再變化。這使得仿真結果不會因為增加網格數量而產生變化，因此，在之后的仿真分析過程中，將主帆網格數目設置在左右。

表2 網格獨立性檢驗

2.4 襟翼位置對翼帆氣動性能的影響

選取流場風速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉角7°，襟翼位置與的參數變動范圍如表3所示，通過Fluent計算分析，得到襟翼位置對翼帆升力系數的影響規律，如圖5所示。

圖5 襟翼位置對升力系數的影響

表3 襟翼位置參數變動范圍

根據圖5所示，可以得出以下結論：

1）襟翼的左右位置對翼帆的升力系數產生影響。在襟翼離主帆較近時，襟翼阻礙了主帆尾流流場的平滑流動，如圖6(a)所示，從而減少主帆產生的升力。將襟翼放置在距離主帆較遠的位置時，襟翼不影響主帆流場流動，對主帆升力系數影響較小，如圖6(b)所示。然而，過遠的襟翼位置將會使得翼帆的重心向后移動，同時也會加大翼帆的旋轉半徑，翼帆在旋轉時易碰到其他設備或者船只。

圖6 主帆周圍流場流動狀況

2）襟翼的上下位置對翼帆的升力系數不產生影響，可以將襟翼放在較低的位置，降低翼帆的重心。

2.5 展弦比、錐度比對翼帆氣動性能的影響

選取流場風速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉角7°，襟翼位置d1為1米，d2為0.8米。主帆展弦比和錐度比參數變動范圍如表4所示。通過Fluent計算分析，得到主帆展弦比、錐度比對翼帆氣動性能的影響規律，如圖7～圖9所示。

表4 主帆展弦比和錐度比參數變動范圍

圖7 展弦比對升力系數、阻力系數的影響

圖8 展弦比對氣動中心高度的影響（以主帆翼展百分比表示）

圖9 錐度比對升力系數和升阻比的影響

根據圖7～圖9所示，可以得出以下結論：

1）展弦比是與主帆平面形狀有關的設計參數之一，它影響翼帆升力系數、阻力系數的大小和氣動中心的位置。當展弦比大于2時，主帆展弦比增加會導致升力系數的增加，阻力系數的減小，同時，展弦比的增加會增加氣動中心的高度。在圖8中，氣動中心高度從主帆翼展高度的44%增加到48.1%。

2）錐度比也是與主帆平面形狀有關的設計參數。在圖9中，展弦比保持在4，錐度比在0.2～1.0之間變化，錐度比對升力系數以及升阻比產生影響，其升阻比變化約為6%。試驗結果還表明，主帆錐度比τ=0.45時，翼帆擁有較大的升阻比和較佳的氣動性能。

2.6 傾斜角對翼帆氣動性能的影響

設置C型翼帆高度和展弦比與A 型翼帆相同（b=1800，AR=4）。通過計算襟翼控制主帆旋轉所需要的恢復力矩，發現面積是主帆面積10%的襟翼（如在A型翼帆中）將無法為C型翼帆提供足夠的恢復力矩。因此，將C型翼帆襟翼尺寸增加至主帆尺寸的20%。選取流場風速為8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏轉角7°，主帆傾斜角的參數變動范圍如表5所示。通過Fluent計算分析，得到主帆傾斜角對翼帆氣動性能的影響規律，如圖10所示。

表5 傾斜角參數變動范圍

根據圖10所示，可以得出以下結論：

圖10 傾斜角對氣動性能的影響

當主帆傾斜時，隨著傾斜角度的增加，升力系數在大幅度的減小。但是傾斜角度的增加有利于降低主帆的氣動中心同時可以加大襟翼繞桅桿的旋轉力矩。

3 結語

通過對帶有襟翼的剛性翼帆進行氣動性能分析可知：

1）襟翼左右位置距離主帆較近會減小翼帆的升力系數，而襟翼上下位置的變動對翼帆的升力系數不產生影響。

2）主帆采用大展弦比會提高氣動性能，但是細長的主帆在工作時會有較高的彎曲應力。同時，采用錐形主帆，錐度比0.45時，可以提高主帆的整體結構剛度、降低重心和根部的彎曲載荷，且具有較好的氣動性能。

3）主帆隨著傾斜角度的增加，雖然氣動中心逐漸的降低，但升力系數會大幅減小。

通過對無人帆船剛性翼帆的氣動性能分析，為后續的無人帆船推力優化以及自主航行控制提供了性能數據支撐，促進了航海工程的發展，具有廣闊的應用前景。