凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

黃曉雪

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，自然資源越來越多的被消耗，人類開始尋求在盡量減少資源消耗的情況下生產(chǎn)出相同數(shù)量和質(zhì)量產(chǎn)品的方法，簡(jiǎn)單來說就是尋求節(jié)能的方法。此時(shí)減阻節(jié)能就應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)也是現(xiàn)階段的主要議題。在眾多的減阻方法中，仿生減阻方法具有低耗高效的特點(diǎn)，越來越被人們所認(rèn)可和接受，成為當(dāng)今社會(huì)主要的減阻技術(shù)。仿生學(xué)是將自然界某些生物特有的一些性質(zhì)運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)研究過程中以達(dá)到提高產(chǎn)品性能的目的，如飛機(jī)的航行可以模擬雨燕的飛行、船舶的運(yùn)動(dòng)可以模擬魚類的擺動(dòng)等。在研究中我們發(fā)現(xiàn)座頭鯨的鰭狀肢可以有效地改善其回轉(zhuǎn)能力，受其啟發(fā)可以將其鰭狀肢運(yùn)用到舵設(shè)備上，達(dá)到改善船舶操縱性的目的。本文通過分析和對(duì)比國(guó)內(nèi)外凹凸導(dǎo)緣仿生減阻方法及其在航天、航空、船舶等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，探討應(yīng)用凹凸導(dǎo)緣仿生減阻技術(shù)改進(jìn)船舶槳舵一體化裝置的應(yīng)用前景。

1 座頭鯨運(yùn)動(dòng)方式

在成千上萬的海洋生物中，水生生物的運(yùn)動(dòng)情況和轉(zhuǎn)彎性能都受到其身體形態(tài)和靈活度的影響。座頭鯨作為海洋中最大的鯨類生物之一，由于身體龐大其靈活度一般不是很好，很大程度上影響了其捕食能力。通過科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，雖然其身形龐大影響了其靈活度，但是與其他同類相比，座頭鯨具有特殊的控制回轉(zhuǎn)性的能力。這種特殊的控制回轉(zhuǎn)性的能力就是在座頭鯨身上具有可移動(dòng)和高展弦比的鰭狀肢，座頭鯨依靠鰭狀肢可以進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等操縱。座頭鯨的鰭狀肢如圖1所示，從圖中可以看出鰭狀肢的導(dǎo)緣上分布許多凸起，也就是這種凹凸導(dǎo)緣結(jié)構(gòu)改善了座頭鯨的操縱性能，減少了其運(yùn)動(dòng)過程中的阻力。

圖1 座頭鯨的鰭狀前肢

座頭鯨的鰭狀前肢引發(fā)了人們的深思，美國(guó)西切斯特菲爾德大學(xué)的生物學(xué)家Frank Fish等受其啟發(fā)展開了導(dǎo)緣具有凹凸結(jié)節(jié)的特殊翼型的研究，F(xiàn)rank Fish實(shí)驗(yàn)室根據(jù)座頭鯨鰭狀肢的形狀制作了一個(gè)導(dǎo)緣和座頭鯨類似的具有凹凸結(jié)節(jié)的鰭狀肢以及一個(gè)導(dǎo)緣光滑的鰭狀肢，具體形狀如圖2所示。Frank Fish實(shí)驗(yàn)室對(duì)這兩個(gè)鰭狀肢進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，當(dāng)外界其他條件都相同的情況下，具有凹凸結(jié)節(jié)的鰭狀肢可以使其升力提高8%，阻力減少32%，失速角比標(biāo)準(zhǔn)的鰭狀肢提高40%。綜上，可以看出具有凹凸結(jié)節(jié)的仿座頭鯨鰭狀肢與沒有凹凸結(jié)節(jié)的鰭狀肢相比，具有提高升力、減小阻力、增大失速角等特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高機(jī)翼或者舵的性能，達(dá)到減阻節(jié)能的目的，為船舶的舵設(shè)備以及飛機(jī)的機(jī)翼提供了全新的設(shè)計(jì)理念。

圖2 座頭鯨鰭狀前肢模型

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從19世紀(jì)80年代初凹凸結(jié)節(jié)這個(gè)概念的提出到現(xiàn)在經(jīng)過數(shù)十年的研究和發(fā)展，凹凸導(dǎo)緣的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，越來越多的學(xué)者和專家投入到凹凸導(dǎo)緣節(jié)能減阻工作的研究中，并且也取得了許許多多的成果，為節(jié)能減阻工作做出了重要的貢獻(xiàn)。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1980年，E.Fish首次由座頭鯨的雕像發(fā)現(xiàn)了其鰭狀前肢上均勻布置著凹凸結(jié)節(jié)，接著E.Fish組建研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20年的研究，在研究中E.Fish和同事們發(fā)現(xiàn)鰭狀前肢與光滑的前肢相比具有更優(yōu)越的性能，這就是凹凸導(dǎo)緣這個(gè)概念的來源。

在2004年，D.SMiklosovic和E.Fish等在原有研究的基礎(chǔ)上制作了2個(gè)座頭鯨鰭狀前肢模型，其中一個(gè)布置為光滑的導(dǎo)緣，一個(gè)為凹凸結(jié)節(jié)，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了具有凹凸結(jié)節(jié)的導(dǎo)緣相較于光滑導(dǎo)緣氣動(dòng)性能更好，提高了升力系數(shù)、失速角等。

在2007年，Miklosovic和Murray在NACA翼型上布置凹凸結(jié)節(jié)，并將其設(shè)置為正弦曲線，通過實(shí)驗(yàn)證明正弦曲線形狀的凹凸導(dǎo)緣失速角比較緩和，可以使升力提高、阻力降低。

在2008年哈佛大學(xué)Van Nierop和Ernst A將凹凸導(dǎo)緣上的結(jié)節(jié)振幅增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)升力曲線變得更加平緩。夏威夷大學(xué)的Pedro等人在此基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了凹凸結(jié)節(jié)可以有效延緩失速的問題，并驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法在研究凹凸結(jié)節(jié)提高翼型動(dòng)力性能方面的可行性，為凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。

凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)不僅僅試用在機(jī)翼問題上，2010年Weber等人開始對(duì)凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)應(yīng)用在船用舵上的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究。與機(jī)翼問題不同的是，它不僅需要考慮凹凸結(jié)節(jié)減阻，還要考慮到舵設(shè)備所特有的空泡現(xiàn)象。通過多次試驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)較小的情況下，展弦比小的船用舵在使用凹凸導(dǎo)緣之后空泡現(xiàn)象開始得更早一些，發(fā)生位置得到了改善，也就證明了低雷諾數(shù)的情況下凹凸導(dǎo)緣對(duì)舵的水動(dòng)力性能有較大的影響。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，國(guó)外對(duì)于凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)已經(jīng)開始投入使用。加拿大科學(xué)家研制的水下機(jī)器人AQUA，采用仿生學(xué)原理將機(jī)翼做成凹凸導(dǎo)緣形狀進(jìn)行推進(jìn)，有效地提高了其操縱性，具有廣泛的應(yīng)用前景。美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員利用凹凸導(dǎo)緣的原理研發(fā)了一種新型水下機(jī)器人，它可以靈活、迅速地完成水下作業(yè)，并且能有效地完成科考任務(wù)。通過國(guó)外對(duì)于凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)的應(yīng)用我們不難看出，這種仿生減阻技術(shù)可以有效地改善原有設(shè)備的操縱性能，具有廣泛的應(yīng)用前景，值得我們?nèi)パ芯亢吞接懖?yīng)用到工程實(shí)踐中。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于凹凸導(dǎo)緣減阻問題的研究相對(duì)于國(guó)外起步比較晚而且發(fā)展速度也比較緩慢，到目前為止在實(shí)際工程中還沒有得到使用。國(guó)內(nèi)關(guān)于凹凸導(dǎo)緣減阻問題基本上都停留在研究階段，一般主要以模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真為主要研究手段，通過對(duì)比分析得出凹凸導(dǎo)緣可以有效減小阻力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2004年，田潤(rùn)軍等將螺旋槳的葉片引入凹凸導(dǎo)緣減阻的概念，葉片橫向弦長(zhǎng)剖面截面形狀不變，將徑向剖面截面設(shè)置為凹弧和凸弧組成的凹弧翼型，也就是將這種特殊的凹凸葉片應(yīng)用到螺旋槳模型中，通過數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)比分析原有螺旋槳和新型螺旋槳的水動(dòng)力性能，得出新型螺旋槳較原有螺旋槳具有節(jié)省原材料、提高航行速度、節(jié)約能量等優(yōu)點(diǎn)。

2009年，吉林大學(xué)的李偉杰等將凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)投入到NACA三維機(jī)翼的研究中，通過數(shù)值模擬技術(shù)，模擬了原始NACA63-210三維機(jī)翼的升力、阻力等，并將結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得到兩組數(shù)據(jù)基本相同，驗(yàn)證了數(shù)值模擬技術(shù)的有效性，經(jīng)數(shù)值模擬結(jié)果得出凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)可以有效地改善機(jī)翼的氣動(dòng)力性能。

2010年，哈爾濱工程大學(xué)的鞏晉等將凹凸減阻技術(shù)引入到船舶減搖鰭的研究中，通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果和原有的水池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得出了數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)于研究減搖鰭凹凸減阻技術(shù)的實(shí)用性。在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，分別對(duì)減搖鰭的凹凸結(jié)節(jié)個(gè)數(shù)和結(jié)節(jié)高度進(jìn)行不同的設(shè)置，通過對(duì)比分析數(shù)值模擬數(shù)據(jù)得出凹凸結(jié)節(jié)個(gè)數(shù)對(duì)減搖鰭水動(dòng)力性能影響不大而結(jié)節(jié)高度對(duì)減搖鰭升力的影響起著至關(guān)重要的作用。

2011年，北京大學(xué)的張瑞奎等將凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)引入到了風(fēng)輪機(jī)葉片研究中。在研究過程中，張瑞奎等將風(fēng)輪機(jī)的葉片導(dǎo)緣設(shè)置為正弦曲線形狀，通過數(shù)值模擬技術(shù)研究人員發(fā)現(xiàn)，使用凹凸導(dǎo)緣的風(fēng)輪機(jī)葉片較原始葉片相比，在高風(fēng)速的情況下扭矩得到了有效地提高。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，我們不難發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了螺旋槳、機(jī)翼、減搖鰭以及風(fēng)機(jī)葉片的研究中，適用于航天、航空和船舶領(lǐng)域，但是國(guó)內(nèi)的研究工作主要側(cè)重于理論研究和數(shù)值模擬技術(shù)，沒有真正的應(yīng)用到工程實(shí)踐中，這也將是我們亟待解決的一個(gè)重要問題。

3 應(yīng)用前景

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)凹凸導(dǎo)緣進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，通過這些研究可以清晰地發(fā)現(xiàn)凹凸導(dǎo)緣對(duì)于提高舵及其附屬設(shè)備的水動(dòng)力性能具有很大的作用，但是由于技術(shù)的限制國(guó)內(nèi)對(duì)于凹凸導(dǎo)緣減阻技術(shù)還停留在理論和數(shù)值模擬階段。根據(jù)座頭鯨鰭狀前肢的特殊形狀，我們可以設(shè)想將其減阻的機(jī)理應(yīng)用到槳舵一體化裝置上，應(yīng)用仿生學(xué)原理實(shí)現(xiàn)改善槳舵一體化推進(jìn)效能的目的，達(dá)到減阻的效果，為改善槳舵設(shè)備的推進(jìn)效能提供了一個(gè)新的研究方向。根據(jù)座頭鯨鰭狀前肢的凹凸結(jié)節(jié)，改變槳和舵導(dǎo)緣的剖面形狀，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果，可以將這一設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到船舶上，得到減小粘性流體阻力的簡(jiǎn)單綠色環(huán)保的有效方法，從而為減阻節(jié)能帶來新的研究方向。

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