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波浪动力船水翼的推进性能分析

邓超,常宗瑜*,2,冯展霞,张嘉坤

中国海洋大学工程学院,山东青岛266100

中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室,山东青岛266100

引言

当前,波浪动力水面无人航行器主要有2种形式:一种称作波浪滑翔机,其推进装置安装在水下且与航行器通过缆索连接,通过波浪引起船体的垂荡运动而带动水下推进水翼的摆动产生推进力;另一种常被称作波浪动力船,其水翼安装在船只的艏部或艉部,利用水翼随着船体在波浪中的垂荡与纵摇运动产生推进力。国内外相关领域学者针对这2种波浪能驱动的航行器开展了长期的研究,本文将主要针对波浪动力船展开相关研究。

在数值模拟及仿真方面,Belibassakis等[1]对位于船体下方的扑动机翼进行了水动力分析,并对其在恒定前进速度下的随机波动进行了分析,结果表明,在一定的运动参数范围内,船舶具有显著的推力、减振和减摇力矩的产生。封培元等[2]基于势流理论建立了顶浪情况下振荡水翼与大型货船船体的频域耦合

水动力模型,分析了水翼对船舶耐波性的影响。利用模型研究了水翼安装位置、弹簧刚度、浸没深度等参数对波能回收效果的影响。DeSilva等[3]研究了主动垂荡与纵摇之间的相位差、傅汝德数以及波幅等参数对主动振荡水翼船波浪能量提取性能的影响。

伴随着水翼推进机理研究的发展,其在应用与实验方面也有成功的案例可寻。Linden[4]发明了一种长约4m、利用波浪能的船,取名为Autonaut。加利福尼亚的一位发明家发明了一种由船头2个水翼加船尾1个水翼来提供推进力的波浪驱动装置。挪威学者Jakobsen[5-6]对波能船进行了海上试验,其发现将水翼固定在船体前端不但能提高前进速度,还能增加船体运动的稳定性。Isshiki等[7-12]在渔船上对波浪水翼进行了试验,结果表明,渔船稳定性提高了、航行速度也得到了明显提高。日本探险家Horie驾驶波能船SuntoryMermaidⅡ横跨了太平洋[13]。李聪等[14-15]设计了双体船试验平台并进行了试验,其对船体进行阻力试验并与AQWA软件计算结果进行了对比验证,同时还在不同波浪情况下进行了船体自航试验和数据分析,编写了程序,并用试验数据对船体的运动进行了数值仿真。祝美霞等[16]采用三维面元法对原型和水翼船在规则波中的运动与增阻响应进行预报,并与试验结果进行了比较,验证了计算结果的准确性。田宝强等[17]引入柔性蹼翼的结构设计,对蹼翼型装置的运动原理进行研究,建立了柔性蹼翼驱动力计算模型,搭建了原理样机并初步通过了造波水槽试验。

当前研究波浪动力船推进水翼的数值分析方法大多是给定水翼的运动,采用给定的来流速度冲击,来模拟水翼在流场中的受力及流场分布,这同实际情况是

有区别的。实际情况下,波浪动力船的水翼运动是由于船体的垂荡和纵摇而引起的被动旋转,针对此种情况的研究少有涉及。

本文将建立静水环境下波浪动力船推进水翼的流固耦合动力学模型,通过把多体动力学方程通过用户自定义程序(UDF)编写到流体分析软件Fluent中来对波浪动力船的水动力学性能进行分析。对波浪动力船垂荡及纵摇时引起的水翼绕波浪动力船中心转动,以及绕自身转动中心的被动转动进行模拟,即给定不同波浪振幅及周期下船体的垂荡与纵摇运动,通过Fluent软件获取被动旋转水翼上的推进力及转矩来求解多体动力学方程,模拟分析水翼在不同振幅、周期和扭簧恢复刚度下所产生的推力大小,以为波浪动力船的研究设计提供参考。

水翼的运动

如图1所示,忽略水翼因比较靠近波面而出现露出水面以及拍击波面的影响,波浪动力船在波浪中的随波运动可简化为垂荡h(t)和纵摇θ(t)2个部分。图1(b)中,红色的点线表示初始位置。

图1波浪动力船运动模型Fig.1Motionmodelofwave-poweredboats

当船体向下运动时,速度可分解为:

式中:θ1为连接点至船中心的直线与船体中心线之间的夹角;vx与vy分别为将水翼绕船体的转动分解到水平与垂直方向上的速度;t为时间。

水翼的第3部分运动是在上述2部分运动的作用及水作用力下,产生绕自身转轴的被动转动。

综上所述,水翼的运动可分为3部分:第1部分是随着船体在波浪驱动下垂

荡;第2部分是随船体在波浪驱动下绕船体中心主动转动;第3部分是在随船

的纵摇和垂荡下受到水的作用力绕水翼的转动中心被动转动。可以看做是既有上下运动,又有公转与自转的运动。

水翼数值模型的建立

本文不考虑波浪对于船体运动所产生的影响,分析静水环境下波浪船的双水翼运动性能。图2所示为Fluent软件计算域尺寸。图中,Fin1为前水翼,Fin2为后水翼,b为水翼长度。

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