一种新型水上减阻仿生技术研究

白向华，吕建刚，高 飞，任伯峰

（1军械工程学院，河北 石家庄 050003；2 63880部队，河南 洛阳 471003）

1 引 言

目前，两栖车辆主要为排水型，在接近15 km/h时会出现严重的“埋首”现象，即出现工程上所谓的“阻力墙”和“速度极限”，导致阻力急剧增大，限制航速进一步提高[1-2]。此时减阻的关键是改变两栖车辆航态，即由排水状态进入水动力支撑航态[3]，各航态的阻力曲线如图1所示[4]。安装水翼或采用气垫技术可达到上述要求，但水翼复杂的收放机构直接影响两栖车辆陆上机动性能；气垫技术所需的动力源、强力风扇令两栖车辆无法接受；美国EFV战车采用“变形金刚”式滑板技术和超大功率车用发动机可使两栖车辆进入滑行状态（如图2所示）[4]，但复杂的滑板结构导致可靠性低，且超大功率车载发动机难以实现。

图1 不同航态两栖车辆的阻力曲线比较Fig.1 Resistance curve comparison of amphibious vehicle in different sailing status

图2 EFV托出水面高速滑行状态Fig.2 High speed sliding status above water of EFV

蛇怪蜥蜴是美洲热带雨林中的一种动物[5-6]，其身体密度大于水，经过上亿年的进化，能够依靠两个脚掌以合适角度、高频率踩踏水面，形成瞬间气腔，产生极大的高速固液作用力，支撑蛇怪蜥蜴身体重量并推动其在水面高速奔跑。这种生物水上奔跑原理给两栖车辆航态改变带来了启发。通过研究蛇怪蜥蜴踏水机理，将其应用到两栖车辆水上航态改变上，为两栖车辆减阻、提速提供一个新的研究方向。

2 仿生研究

2.1 蛇怪蜥蜴水上奔跑机理

经过上亿年的进化，蛇怪蜥蜴单脚连续踩踏水面的频率可达5-10 Hz，水上通过速度1.5 m/s左右，其在水上高速奔跑时脚掌的踏水过程大致分为三个阶段：下踏，后划，收腿[5-7]。

下踏阶段为脚掌与水面开始接触到垂直向下踏水的过程，主要产生升力；后划阶段指在下踏动作完成后，脚掌向后、向下踩踏水，直至产生脱落涡环进入恢复阶段，此阶段产生全部推进力和主要升力；收腿阶段分为向上收腿和向下弹腿两部分，向上收腿阶段蛇怪蜥蜴必须在气腔破裂之前把脚从气腔中缩回避免陷入水中，这是十分关键的，向下弹腿阶段，蜥蜴主要用来增大下踏速度为下一次踏水的下踏阶段做准备，在整个收腿阶段蜥蜴脚掌和水并没产生明显的作用力[8]。至此，蛇怪蜥蜴完成一次完整的踏水过程，脚掌返回下一踏水周期的下踏阶段。如图3显示从侧面和背面观察的质量为20.8 g的蜥蜴在一次踏水过程中的三个运动阶段，其水面奔跑速度为1.4 m/s[7]。

分析蛇怪蜥蜴踏水过程，发现它主要利用两个脚掌以合适的角度踩踏水面，形成瞬态水面气腔（图3所示），在气腔破裂前完成脚掌的缩回，两个脚掌高频率交替踩踏，形成新气腔，继续在新气腔破裂前收回脚掌，保持踩踏中气腔不破裂，水面给脚掌极大的固液的作用力，推动其在水面高速奔跑。在麦克马洪和葛拉辛的研究中[5]，气腔从产生到破裂的时间在0.08到0.09 s之间，因此蛇怪蜥蜴必须有一个最低踏水频率。这说明踏水速度和频率是蛇怪蜥蜴水面奔跑的重要因素，此外还与脚掌面积、踏水角度等因素有关。

图3 蛇怪蜥蜴踏水过程的各个阶段Fig.3 Each phase of a basilisk lizard treading water

2.2 仿蛇怪蜥蜴模型

蛇怪蜥蜴水面奔跑现象揭示了这样的一个重要原理：在高速、瞬间条件下，固体和液体的相互作用可近似看成固体和固体间的相互作用，会产生极大的作用力。基于仿生学原理，通过观察和分析蛇怪蜥蜴的水上高速奔跑过程，深入研究蛇怪蜥蜴在水面奔跑时流体和固体相互作用的动力学原理，抛弃以往两栖车辆排水型浮力方式，在仿真分析和原理试验基础上，本文提出了一种新型两栖车辆减阻技术。

基于此技术，简化蛇怪蜥蜴踏水模型，如图4所示[8]，设计以刚性叶片模拟蛇怪蜥蜴脚掌的轮—叶复合式减阻装置。首先，它与传统两栖车辆阿基米德体积排水产生浮力原理不同，其实质是利用仿生叶轮叶片高速连续地拍击水面，产生向上托举力F1和水平推进力F2，随着叶轮的转速提高，产生固—液作用力不断增大，将两栖车辆托举出水面，进入滑行状态，从而回避“阻力墙”现象，基本原理如图5所示。

图4 蛇怪蜥蜴踏水基本原理Fig.4 Basictheory analysis of basilisk lizard treading water

图5 轮—叶复合式减阻装置基本原理图Fig.5 Basic theory of the wheel-blade compound reducing resistance equipment

3 减阻技术分析

3.1 仿真分析

为验证设想装置的作用效果，课题组人员应用流体仿真软件Fluent中的动网格技术，VOF模型及UDF函数对新型轮—叶复合式减阻装置水动力性能进行运动仿真，首先从理论上验证减阻技术的可行性。

（1）应用Pro/E软件建立减阻装置三维造型，其主要参数：旋转轴（图6中1）直径8 cm；连接杆（图6中2）长 20 cm；叶片（图6中 3）长 20 cm，叶片数共 4个；连接杆与叶片的夹角（图6中4）为120°。采用GAMBIT软件进行网格划分，如图6所示。

图6 轮—叶复合式减阻装置三维造型和网格划分Fig.6 Three dimension sculpt and gridding partition of the wheel-blade compound reducing resistance equipment

（2）本文将轮—叶复合式减阻装置的旋转运动视为二维不可压非定常流动，仿生叶轮轴向取单位长度处理，采用时均形式的连续方程，Reynolds时均Navier-Stokes方程和标量φ的时均输运方程，描述为：

其中，非定常湍流计算采用RNG κ-ε湍流模型[9]，该模型能很好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。在初始化过程中将上半部分设为空气，下半部分为水。

设叶轮旋转轴中心与水平面距离为浸水深度h，连接杆与叶片夹角为θ。分析在不同浸水深度h、夹角θ和转速ω下，轮-叶复合式减阻装置的水动力性能。

（3）首先设轮—叶复合式减阻装置浸水深度h分别为-0.20 m、0 m和0.2 m（处于水—气两相介质中），夹角θ=120°，ω=5 rad/s时，仿真分析减阻装置此时的水动力性能，如图7、图8所示。

图7 不同浸水深度产生的托举力Fig.7 Lift force when in different deepness in water

图8 不同浸水深度产生的推进力Fig.8 Propulsive force when in different deepness in water

从图7、图8分析得出，在一个旋转周期内，h=0 m时产生的平均推进力和托举力均最大，h=-0.2 m、h=0.2 m时相对较小。

图9为0.65 s时刻仿生叶轮进水深度h=0.2 m时的体积分数分布图，显示此时仿生叶轮水中状态；图10为该时刻各仿生叶片的压力云图，两侧压力差对叶片面积的积分即为单个叶片受力大小，进而可求整个仿生叶轮所受到的托举力和牵引力。

图9 h=0.2 m时的体积分数分布图Fig.9 Volume fraction distributing when h is 0.2 m

图10 h=0.2 m时的压力云图Fig.10 Stress nephogram when when h is 0.2 m

图11 不同夹角减阻装置产生的托举力Fig.11 Lift force when in different angle

图12 不同夹角减阻装置产生的推进力Fig.12 Propulsive force when in different angle

（4）设仿生叶轮浸水深度 h=0 m，ω=5 rad/s，夹角条件 θ为 105°、120°和 135°时，仿真分析减阻装置的水动力性能，如图11、图12所示。从图 11、 图 12分析得出，θ=135°时仿生叶轮产生的平均推进力最大，θ=120°、105°依次减小；θ=105°时产生的平均托举力最大，θ=120°、135°时依次减小；当θ增加时，推进力增大，托举力相应减小。

图13 不同转速时减阻装置产生的托举力Fig.13 Lift force when in different rotated speed

图14 不同转速时减阻装置产生的推进力Fig.14 Propulsive force when in different rotated speed

（5）设轮—叶复合式减阻装置浸水深度为h=-0.4 m（完全处于水下），θ=120°，ω分别为5 rad/s、10 rad/s和20 rad/s时，仿真分析此状态下的水动力性能，如图13、图14所示。

从图13和图14可以看出在不同转速ω下，减阻装置产生的托举力和推进力是不同的。随着转速ω的增大，产生的托举力和推进力呈增大的趋势，如转速ω=20 rad/s时产生的托举力和推进力明显大于ω=5 rad/s时产生的作用力。但随着转速ω的增大，力的周期变小，且震荡性加强。

（6）动态仿真分析

在以上静态仿真的基础上，进行仿生叶轮自由运动的动态仿真分析。设定仿生叶轮尺寸缩小至原尺寸的1/4，质量为2 kg，设转速ω分别为5 rad/s、10 rad/s和20 rad/s时，仿真分析此状态下的运动性能，此时的水气两相图体积分布图如图15所示。

图15 不同转速时的体积分数分布图Fig.15 Volume fraction distributing when indifferent rotated speed

由上图可看出，在其他参数恒定情况下，转速ω对仿生叶轮的托举力产生有很大的影响。当ω=5 rad/s时仿生叶轮会沉入水中，ω=10 rad/s和ω=20 rad/s仿生叶轮能够保持浮在水面，且ω=20 rad/s时产生的托举力更大，使得仿生叶轮中心被托举得更高。由此可见，转速ω是仿生叶轮水动力性能的关键因素，在本动态仿真设定参数下的仿生叶轮，确保其浮在水面上其临界转速范围在5-10 rad/s之间。

（7）仿真结果分析

①设想的轮—叶复合式减阻装置能够产生向上的托举力和向前的推进力；

②减阻装置在不同浸水深度h和夹角θ时产生的推进力和托举力不同，其中θ增大时，托举力减小，推进力增大；

③转速ω是十分重要的物理参量，随着转速ω增大，产生的托举力不断增大，且周期缩短。

3.2 试验论证

在仿真分析的基础上，进一步开展了轮—叶复合式减阻装置原理试验，试验效果良好。

图16 带箱体减阻原理试验Fig.16 Theory test of the reducing resistance with trunk

试验一：课题组研究设计了仿生叶轮机构，采用两个电机驱动单组仿生叶轮机构，电机功率为0.25 kW，额定转速为300 r/min，箱体内包括2块充电电瓶，电机和传动装置总质量30 kg。开始时，整个机构沉入水中，如图16（a）所示；通电后，叶轮拍打水面，箱体被托起一定角度，如图16（b）所示。经浮力实验测试，在水中将箱体一端提升到相同角度需要150 N的作用力，即采用额定功率为0.25 kW的电机产生了150 N的托举力。

实验二：课题组用四个电机制作了无排水浮箱的双组仿生叶轮机构，每个电机额定功率为0.25 kW，额定转速为300 r/min，总质量约25 kg。未加电时，由于重力大于浮力，叶轮及电机沉入水中如图17（a）所示；刚开始启动瞬间，产生瞬态气腔，与蛇怪蜥蜴踏水吻合，如图17（b）中箭头所示；当转速设定为2 r/s时，因转速较低，仿生叶轮机构未能完全托起，如图17（c）所示；当转速增加至5 r/s，因叶轮转速提高产生更大的托举力，整个机构被完全托出水面，仿生叶轮几乎与水面相切，提升效果良好，如图 17（d）所示。

图17 不带箱体减阻原理试验Fig.17 Theory test of the reducing resistance without trunk

试验结果表明：转速ω是影响仿生叶轮水动力性能的非常重要因素，转速ω越大产生的固液作用力也就越大；在较小输出功率下，依靠仿生叶轮与水的高速作用产生的托举力，可把较大重量的车体托出水面，进入滑行状态，从而避开“阻力墙”现象，达到减小水阻力的目的。

4 结 语

本文提出了一种基于蛇怪蜥蜴踏水机理的两栖车辆减阻技术，分析了仿生叶轮在不同入水深度h、夹角θ和转速ω等参数下的水动力性能，并着重讨论了ω转速对仿生叶轮水动力性能的重要影响。通过理论分析和原理试验论证，本文提出的减阻技术在主要原理上是可行的，能够在不具备超大功率车载发动机和滑板技术的情况下改变车体航态，从而巧妙地避开两栖车辆遇到的“阻力墙”现象，达到了减阻、增速的效果。

在后面的研究中，我们将进一步优化仿生叶轮的叶片形状、尺寸、材质等，使得仿生叶轮最大程度地模拟蛇怪蜥蜴的踏水原理，实现水动力性能和机械传动性能最优。

[1]李 莉,王宪成,韩 树,等.两栖装甲车辆兴波阻力的计算及流场分析[J].兵工学报,2010,31(8):1103-1105.

[2]徐国英,刘维平,杨宏伟.两栖车辆水阻力构成研究[J].装甲兵工程学院学报,1998,12(3):59-63.

[3]杨楚泉.水陆两栖车辆原理与设计[M].北京:国防工业出版社,2003:16-18.

[4]王 瑾.高速两栖突击车[J].兵器知识,2009,(11):34-36.

[5]Glasheen J,McMahon T.Size-dependence of water-running ability of basilisk lizards(Basiliscus Basiliscus)[J].Journal of Experimental Biology,1996,199:2078-2083.

[6]Glasheen J W,McMahon T A.A hydrodynamic model of locomotion in basilisk lizard[J].Nature,1996(380):340-342.

[7]Hsieh T.Three-dimensional hindlimb kinematics of water running in the plumed basilisk(basiliscus plumifrons)[J].The Journal of Experimental Biology,2003,206:4363-4377.

[8]Tonia Hsieh S,Lauder G V.Running on water:Three-dimensional force generation by basilisk lizards[J].PNAS USA,2004,101:16784-16788.

[9]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.