无人帆船的翼帆气动性能研究

李森茂，管殿柱*，赵大刚，夏 涛，季建华

（1.青岛大学 机电工程学院，青岛 266071；2.自然资源部海洋生态环境科学与技术重点实验室，青岛 266061）

0 引言

近年来，随着全球石油价格的逐渐上升以及人们环境保护意识的加强，风能、太阳能和潮汐能等清洁能源引起了各行各业的关注。同时，海洋面临着海水富营养化、酸化和缺氧等一系列问题[1]。以风能为动力的无人帆船具备在海上长时间自主运行的能力，可以用来调查海洋资源和环境监测[2]，也可以用在海岸巡逻、海洋取样和气象调查等方面[3]。无人帆船在海洋实际应用方面具有较大的潜力，为海洋立体综合观测、海洋环境安全保障提供观测技术方法与先进平台支持[4]。但是，传统帆船的柔性帆在面对海洋恶劣的环境以及无人帆船长航时，大范围，高寿命的设计要求时[5]，其局限性越来越明显。主要原因有：1）在理想攻角下，柔性帆最大升力系数在0.8左右[6]，实际航行中，最大升力系数在0.6～0.7之间，升力系数较小；2）当帆侧迎风时，柔性帆容易发生空气弹性变形[7]；3）不易操纵船帆转变攻角[8]。针对传统帆船柔性帆的不足，研究人员研发了一种带有襟翼的刚性翼帆无人帆船[5][9]，其无人帆船三维模型如图1所示。

图1 无人帆船示意图

此种无人帆船的动力装置为刚性翼帆，翼帆包含主帆和襟翼，主帆为无人帆船提供主要的动力，襟翼用来控制主帆的转向[10]。在翼帆上安装有襟翼执行器等智能控制系统，当微气象仪检测到风向和风速突然变化时，通过启动襟翼执行器调整襟翼的角度，在力矩的作用下，使主帆自动调整到最佳迎风角，不需要专门的转向装置控制主帆的旋转。采用刚性翼帆，使得船帆具有稳定的外形、气动效果好、升力系数大、响应速度快、良好的结构和安全特性等优点[11]。刚性翼帆弥补了传统柔性帆升力系数小、易变形、不易控制转向等方面的不足，具有较好的应用前景。本文运用Fluent软件和ANSYS Workbench软件对刚性翼帆的气动性能进行分析研究，为无人帆船的推力优化和自主航行控制提供了性能数据，该项目是航空理论在航海领域的应用，对于探索海洋具有重要的意义。

1 翼帆的参数化处理与配置方案分析

1.1 参数化处理

帆船主帆既要承受左舷来风，又要承受右舷来风，因此要求主帆是对称的翼型，NACA0021翼型[12]具有良好的升阻比性能以及较大的失速攻角，将其设置为主帆翼型，襟翼选用NACA0018翼型[13]。为了便于分析，在考虑升力系数、升阻比、气动中心等要求的情况下，将翼帆视为一个单独的模型。在SolidWorks中将翼帆设计参数设置为全局变量“DS_D_”的形式，实现了SolidWorks与ANSYS之间的参数连接。

1.2 不同配置的翼帆

如图2所示为3种初步设计的翼帆配置方案[14]。A型翼帆是与飞机机翼类似的常规翼帆，结构简单。B型翼帆的主帆外形为锥形，采用锥形可以降低主帆根部的弯曲载荷并降低重心。C型翼帆是装配了集成到主帆上的襟翼[15]，一体式结构增加了翼帆的结构强度并且减小了翼帆的旋转半径。

图2 不同的翼帆配置

不同配置翼帆的设计参数以及翼帆的气动性能参数如表1所示。

表1 设计参数及翼帆气动性能参数

如图3所示，桅杆Q设在主帆弦长的1/4处，b为主帆翼展、ct为翼尖弦、cr为翼根弦，翼帆配备一个襟翼，距离桅杆的长度为d1，高度为d，襟翼的翼展b`和弦c`长与主帆成比例，主帆的气动中心用一个红色的点标出。

图3 设计参数

定义主帆展弦比AR为：

根据翼尖弦和翼根弦之间的关系定义锥度比τ为：

前倾角φ如图2(C)所示，气动中心AC的位置用它的高度位置与主帆翼展长度的百分比表示。

2 翼帆的气动性能研究

2.1 模型的建立

翼帆主帆翼展为1800mm，弦长为450mm，襟翼的大小初步设置为主帆大小的10%[16]。

2.2 网格划分

如图4所示，在Fluent软件中设置流体域的上下边界为15倍的弦长，左右边界为35倍的弦长。为了保证近壁面处的计算精度，对翼型表面区域网格进行加密处理。

图4 网格划分示意图

2.3 网格独立性检验

为了在提高计算效率的同时保证仿真结果的准确性，在流场风速为8m/s，攻角为10°的情况下，选用SST k-外流场模型对主帆进行CFD分析，得到不同网格数目下的翼型升力系数和阻力系数。网格独立性检验结果如表2所示，由表2可知，当网格的数目设置在左右时，翼型的升力系数以及阻力系数基本不再变化。这使得仿真结果不会因为增加网格数量而产生变化，因此，在之后的仿真分析过程中，将主帆网格数目设置在左右。

表2 网格独立性检验

2.4 襟翼位置对翼帆气动性能的影响

选取流场风速为8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏转角7°，襟翼位置与的参数变动范围如表3所示，通过Fluent计算分析，得到襟翼位置对翼帆升力系数的影响规律，如图5所示。

图5 襟翼位置对升力系数的影响

表3 襟翼位置参数变动范围

根据图5所示，可以得出以下结论：

1）襟翼的左右位置对翼帆的升力系数产生影响。在襟翼离主帆较近时，襟翼阻碍了主帆尾流流场的平滑流动，如图6(a)所示，从而减少主帆产生的升力。将襟翼放置在距离主帆较远的位置时，襟翼不影响主帆流场流动，对主帆升力系数影响较小，如图6(b)所示。然而，过远的襟翼位置将会使得翼帆的重心向后移动，同时也会加大翼帆的旋转半径，翼帆在旋转时易碰到其他设备或者船只。

图6 主帆周围流场流动状况

2）襟翼的上下位置对翼帆的升力系数不产生影响，可以将襟翼放在较低的位置，降低翼帆的重心。

2.5 展弦比、锥度比对翼帆气动性能的影响

选取流场风速为8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏转角7°，襟翼位置d1为1米，d2为0.8米。主帆展弦比和锥度比参数变动范围如表4所示。通过Fluent计算分析，得到主帆展弦比、锥度比对翼帆气动性能的影响规律，如图7～图9所示。

表4 主帆展弦比和锥度比参数变动范围

图7 展弦比对升力系数、阻力系数的影响

图8 展弦比对气动中心高度的影响（以主帆翼展百分比表示）

图9 锥度比对升力系数和升阻比的影响

根据图7～图9所示，可以得出以下结论：

1）展弦比是与主帆平面形状有关的设计参数之一，它影响翼帆升力系数、阻力系数的大小和气动中心的位置。当展弦比大于2时，主帆展弦比增加会导致升力系数的增加，阻力系数的减小，同时，展弦比的增加会增加气动中心的高度。在图8中，气动中心高度从主帆翼展高度的44%增加到48.1%。

2）锥度比也是与主帆平面形状有关的设计参数。在图9中，展弦比保持在4，锥度比在0.2～1.0之间变化，锥度比对升力系数以及升阻比产生影响，其升阻比变化约为6%。试验结果还表明，主帆锥度比τ=0.45时，翼帆拥有较大的升阻比和较佳的气动性能。

2.6 倾斜角对翼帆气动性能的影响

设置C型翼帆高度和展弦比与A 型翼帆相同（b=1800，AR=4）。通过计算襟翼控制主帆旋转所需要的恢复力矩，发现面积是主帆面积10%的襟翼（如在A型翼帆中）将无法为C型翼帆提供足够的恢复力矩。因此，将C型翼帆襟翼尺寸增加至主帆尺寸的20%。选取流场风速为8m/s，主帆攻角10°，襟翼偏转角7°，主帆倾斜角的参数变动范围如表5所示。通过Fluent计算分析，得到主帆倾斜角对翼帆气动性能的影响规律，如图10所示。

表5 倾斜角参数变动范围

根据图10所示，可以得出以下结论：

图10 倾斜角对气动性能的影响

当主帆倾斜时，随着倾斜角度的增加，升力系数在大幅度的减小。但是倾斜角度的增加有利于降低主帆的气动中心同时可以加大襟翼绕桅杆的旋转力矩。

3 结语

通过对带有襟翼的刚性翼帆进行气动性能分析可知：

1）襟翼左右位置距离主帆较近会减小翼帆的升力系数，而襟翼上下位置的变动对翼帆的升力系数不产生影响。

2）主帆采用大展弦比会提高气动性能，但是细长的主帆在工作时会有较高的弯曲应力。同时，采用锥形主帆，锥度比0.45时，可以提高主帆的整体结构刚度、降低重心和根部的弯曲载荷，且具有较好的气动性能。

3）主帆随着倾斜角度的增加，虽然气动中心逐渐的降低，但升力系数会大幅减小。

通过对无人帆船刚性翼帆的气动性能分析，为后续的无人帆船推力优化以及自主航行控制提供了性能数据支撑，促进了航海工程的发展，具有广阔的应用前景。