凹凸导缘减阻技术研究现状分析

黄晓雪

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

0 引言

随着社会的发展，自然资源越来越多的被消耗，人类开始寻求在尽量减少资源消耗的情况下生产出相同数量和质量产品的方法，简单来说就是寻求节能的方法。此时减阻节能就应运而生，同时也是现阶段的主要议题。在众多的减阻方法中，仿生减阻方法具有低耗高效的特点，越来越被人们所认可和接受，成为当今社会主要的减阻技术。仿生学是将自然界某些生物特有的一些性质运用到实际的生产研究过程中以达到提高产品性能的目的，如飞机的航行可以模拟雨燕的飞行、船舶的运动可以模拟鱼类的摆动等。在研究中我们发现座头鲸的鳍状肢可以有效地改善其回转能力，受其启发可以将其鳍状肢运用到舵设备上，达到改善船舶操纵性的目的。本文通过分析和对比国内外凹凸导缘仿生减阻方法及其在航天、航空、船舶等各个领域的应用，探讨应用凹凸导缘仿生减阻技术改进船舶桨舵一体化装置的应用前景。

1 座头鲸运动方式

在成千上万的海洋生物中，水生生物的运动情况和转弯性能都受到其身体形态和灵活度的影响。座头鲸作为海洋中最大的鲸类生物之一，由于身体庞大其灵活度一般不是很好，很大程度上影响了其捕食能力。通过科学家的研究发现，虽然其身形庞大影响了其灵活度，但是与其他同类相比，座头鲸具有特殊的控制回转性的能力。这种特殊的控制回转性的能力就是在座头鲸身上具有可移动和高展弦比的鳍状肢，座头鲸依靠鳍状肢可以进行前进、后退、转向等操纵。座头鲸的鳍状肢如图1所示，从图中可以看出鳍状肢的导缘上分布许多凸起，也就是这种凹凸导缘结构改善了座头鲸的操纵性能，减少了其运动过程中的阻力。

图1 座头鲸的鳍状前肢

座头鲸的鳍状前肢引发了人们的深思，美国西切斯特菲尔德大学的生物学家Frank Fish等受其启发展开了导缘具有凹凸结节的特殊翼型的研究，Frank Fish实验室根据座头鲸鳍状肢的形状制作了一个导缘和座头鲸类似的具有凹凸结节的鳍状肢以及一个导缘光滑的鳍状肢，具体形状如图2所示。Frank Fish实验室对这两个鳍状肢进行风洞试验，通过实验结果分析得出，当外界其他条件都相同的情况下，具有凹凸结节的鳍状肢可以使其升力提高8%，阻力减少32%，失速角比标准的鳍状肢提高40%。综上，可以看出具有凹凸结节的仿座头鲸鳍状肢与没有凹凸结节的鳍状肢相比，具有提高升力、减小阻力、增大失速角等特点，这项技术的应用可以有效地提高机翼或者舵的性能，达到减阻节能的目的，为船舶的舵设备以及飞机的机翼提供了全新的设计理念。

图2 座头鲸鳍状前肢模型

2 国内外研究现状

从19世纪80年代初凹凸结节这个概念的提出到现在经过数十年的研究和发展，凹凸导缘的研究和应用已经取得了突破性的进展，越来越多的学者和专家投入到凹凸导缘节能减阻工作的研究中，并且也取得了许许多多的成果，为节能减阻工作做出了重要的贡献。

2.1 国外研究现状

1980年，E.Fish首次由座头鲸的雕像发现了其鳍状前肢上均匀布置着凹凸结节，接着E.Fish组建研究团队对此现象进行了长达20年的研究，在研究中E.Fish和同事们发现鳍状前肢与光滑的前肢相比具有更优越的性能，这就是凹凸导缘这个概念的来源。

在2004年，D.SMiklosovic和E.Fish等在原有研究的基础上制作了2个座头鲸鳍状前肢模型，其中一个布置为光滑的导缘，一个为凹凸结节，并通过风洞试验得出实验结果，验证了具有凹凸结节的导缘相较于光滑导缘气动性能更好，提高了升力系数、失速角等。

在2007年，Miklosovic和Murray在NACA翼型上布置凹凸结节，并将其设置为正弦曲线，通过实验证明正弦曲线形状的凹凸导缘失速角比较缓和，可以使升力提高、阻力降低。

在2008年哈佛大学Van Nierop和Ernst A将凹凸导缘上的结节振幅增大，实验结果发现升力曲线变得更加平缓。夏威夷大学的Pedro等人在此基础上运用数值模拟方法验证了凹凸结节可以有效延缓失速的问题，并验证了数值模拟方法在研究凹凸结节提高翼型动力性能方面的可行性，为凹凸导缘减阻技术提供了一个强有力的基础。

凹凸导缘减阻技术不仅仅试用在机翼问题上，2010年Weber等人开始对凹凸导缘减阻技术应用在船用舵上的水动力性能进行研究。与机翼问题不同的是，它不仅需要考虑凹凸结节减阻，还要考虑到舵设备所特有的空泡现象。通过多次试验，研究人员发现在雷诺数较小的情况下，展弦比小的船用舵在使用凹凸导缘之后空泡现象开始得更早一些，发生位置得到了改善，也就证明了低雷诺数的情况下凹凸导缘对舵的水动力性能有较大的影响。

经过大量实验和理论研究，国外对于凹凸导缘减阻技术已经开始投入使用。加拿大科学家研制的水下机器人AQUA，采用仿生学原理将机翼做成凹凸导缘形状进行推进，有效地提高了其操纵性，具有广泛的应用前景。美国麻省理工学院的研究人员利用凹凸导缘的原理研发了一种新型水下机器人，它可以灵活、迅速地完成水下作业，并且能有效地完成科考任务。通过国外对于凹凸导缘减阻技术的应用我们不难看出，这种仿生减阻技术可以有效地改善原有设备的操纵性能，具有广泛的应用前景，值得我们去研究和探讨并应用到工程实践中。

2.2 国内研究现状

国内对于凹凸导缘减阻问题的研究相对于国外起步比较晚而且发展速度也比较缓慢，到目前为止在实际工程中还没有得到使用。国内关于凹凸导缘减阻问题基本上都停留在研究阶段，一般主要以模型试验和计算机仿真为主要研究手段，通过对比分析得出凹凸导缘可以有效减小阻力的实验结果。

2004年，田润军等将螺旋桨的叶片引入凹凸导缘减阻的概念，叶片横向弦长剖面截面形状不变，将径向剖面截面设置为凹弧和凸弧组成的凹弧翼型，也就是将这种特殊的凹凸叶片应用到螺旋桨模型中，通过数值模拟技术，对比分析原有螺旋桨和新型螺旋桨的水动力性能，得出新型螺旋桨较原有螺旋桨具有节省原材料、提高航行速度、节约能量等优点。

2009年，吉林大学的李伟杰等将凹凸导缘减阻技术投入到NACA三维机翼的研究中，通过数值模拟技术，模拟了原始NACA63-210三维机翼的升力、阻力等，并将结果与模型试验结果对比分析得到两组数据基本相同，验证了数值模拟技术的有效性，经数值模拟结果得出凹凸导缘减阻技术可以有效地改善机翼的气动力性能。

2010年，哈尔滨工程大学的巩晋等将凹凸减阻技术引入到船舶减摇鳍的研究中，通过数值模拟实验结果和原有的水池试验结果进行对比分析得出了数值模拟技术对于研究减摇鳍凹凸减阻技术的实用性。在进行数值模拟过程中，分别对减摇鳍的凹凸结节个数和结节高度进行不同的设置，通过对比分析数值模拟数据得出凹凸结节个数对减摇鳍水动力性能影响不大而结节高度对减摇鳍升力的影响起着至关重要的作用。

2011年，北京大学的张瑞奎等将凹凸导缘减阻技术引入到了风轮机叶片研究中。在研究过程中，张瑞奎等将风轮机的叶片导缘设置为正弦曲线形状，通过数值模拟技术研究人员发现，使用凹凸导缘的风轮机叶片较原始叶片相比，在高风速的情况下扭矩得到了有效地提高。

通过对国内凹凸导缘减阻技术的研究现状进行分析，我们不难发现国内的凹凸导缘减阻技术已经广泛应用到了螺旋桨、机翼、减摇鳍以及风机叶片的研究中，适用于航天、航空和船舶领域，但是国内的研究工作主要侧重于理论研究和数值模拟技术，没有真正的应用到工程实践中，这也将是我们亟待解决的一个重要问题。

3 应用前景

通过对国内外研究现状对比分析发现国内外众多学者都对凹凸导缘进行了大量的理论和试验研究，通过这些研究可以清晰地发现凹凸导缘对于提高舵及其附属设备的水动力性能具有很大的作用，但是由于技术的限制国内对于凹凸导缘减阻技术还停留在理论和数值模拟阶段。根据座头鲸鳍状前肢的特殊形状，我们可以设想将其减阻的机理应用到桨舵一体化装置上，应用仿生学原理实现改善桨舵一体化推进效能的目的，达到减阻的效果，为改善桨舵设备的推进效能提供了一个新的研究方向。根据座头鲸鳍状前肢的凹凸结节，改变桨和舵导缘的剖面形状，再结合实验与数值模拟的结果，可以将这一设计方法应用到船舶上，得到减小粘性流体阻力的简单绿色环保的有效方法，从而为减阻节能带来新的研究方向。

[1]张丽红,李伟杰.仿生机翼流场的数值模拟[J].电脑知识与技术,2010(16):4579-4580.

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[3]郭春雨.螺旋桨与舵附推力鳍相互干扰水动力性能数值计算[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.

[4]解学参.吊舱推进器推进及空泡性能的数值模拟[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.

[5]李伟杰.仿生机翼减阻的数值模拟[D].长春:吉林大学,2007.