基于科恩达效应的水下无桨叶推进器的实验与研究
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摘 要：基于科恩达效应的水下无桨推进器的研究在水下机器人和船舶领域是一种全新的技术，在能够很好地提高推进器推进能量转化效率的基础上，为同类水下推进器中的首创。本文以克服传统螺旋桨推进器噪音大，效率不高，产生空泡，易被缠绕等缺点为目的，利用科恩达效应，设计了一套结构简单、运行平稳、容易控制的水下无桨推进器方案，通过建立运动坐标系，利用solidworks软件建立三维模型进行分析，仿真模拟，结合ANSYS、FLUENT流体分析等技术进行研究分析。
关键词：水下机器人；科恩达效应；无桨推进；建模分析；仿真分析；样机实验
1 水下机器人的背景：
水下推进器种类繁多，按照原理不同，有普通螺旋桨，导管螺旋桨。普通的螺旋桨可分为定距螺旋桨、可调螺距螺旋桨和对转螺旋桨。定距螺旋桨：即固定螺距的螺旋桨。其结构简单，耐用，维护简单，但其螺距不可的变，只有在某特定转速时，效率最高。可调螺距螺旋桨：即螺距可调节的螺旋桨。其能根据航速而改变，但其结构复杂，造价昂贵，维护不变。对转螺旋桨：即在同一转轴上安装前后两只转向相反的螺旋桨。其能提高推进效率，但是结构复杂材料受限。导管螺旋桨：通过在普通螺旋桨外缘加装一机翼型截面的圆形导管而成。导管可提高螺旋桨的推进效率，但导管与船体之间要做固体连接，导管内壁和螺旋桨叶梢间隙很小，水草杂物易进入。此外，螺旋桨推进器不仅运行噪音大、能量转换效率低，还造成了很多负面影响，如卷入水生物等，容易伤人及水中生物，严重破环了水下环境，且螺旋桨推进器被水草等水生物缠绕后停止运行，其动力装置的维修和替换也给相关企业带来了高昂的成本支出，降低了企业利润。除此之外，目前多数水下机器人均附有缆绳，而缆绳极易缠绕，且水下无法实现电磁波通信和远距离作业。
随着水下推进器的发展也出现了喷水推进器、喷气推进器。喷水推进器是利用喷出的水反作用力来产生推力的推进器。喷水推进器由水泵、吸水管道、喷水管道组成，其机械部分装于船内，得到良好保护。但喷管因直径受限、管路及水泵效率不高，整个系统效率低。喷气推进器是一种利用由动力装置产生的高压气流直接作用于水，从而提高船体效率的推进器。但因需要强大的气流，需要大量的能量，最终能量转换效率低。
针对以上行业发展缺陷，从长远的角度出发，设计出一款利用科恩达效应的水下无桨推进器，既能直接作为其动力装置用于水下机器人的运行，也可直接使用在船舶上，使其航行的同时，避免伤害水生物以及自身，符合未来行业发展的潮流。用无桨推进器替代传统螺旋桨推进器，具有大范围活动、深度潜水、不怕电缆缠绕、可轻松进入复杂结构中、占用甲板面积小等优点。并提高水中推进操控性能和水环境交互性能，可用于军用潜艇，鱼雷；实现静态观测；结合图像处理，智能决策等技术，完成水中目标追踪，水中救援等任务，可进行户外水中探测或水中检测，或进行扩展开发，完成路径规划，任务分配，姿态控制等任务的研究与试验。
2 基本原理：
科恩达效应已经在航空航天中广泛应用，注意到科恩达效应不仅仅对于气流有实际作用，对于水流也同样是有效的，所以由此出发利用科恩达效应设计无桨推进器。
水下无桨推进器主要应用了科恩达效应，即：当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时（也可以说是流体粘性），只要曲率不大，流体会顺着物体表面流动。我们根据该效应设计的无桨推进器的结构图如下，主要由进水口、增压装置、内部管道、环形出水口四部分组成。在水下无桨推进器的底座上，设有入水口，该入水口可以在一定时间内使较多的水流入推进器的内部涵道中。在靠近入水口附近的涵道里，设置一个压缩装置，该压缩装置采用涡轮结构，可使用无刷或者直流电机作为涡轮的动力来源，该压缩装置使得大量水吸入推进器的内部涵道中，并将水加速。最后，被增压和加速的水流1通过无桨推进器环形出水口内唇2环绕射出，射出后的水流3带动环形出水口后方的水流4随之进入推进器环形中空的部分（在此过程中具有科恩达效应），并以高速度向外射出。以此获得反作用力，实现推力。
无桨推进器出水口示意图
3市场应用：
利用科恩达效应的水下无桨推进器可应用于军用领域、民用领域等各个领域具有不会产生空泡效应、噪音小，占用甲板面积小、不需要庞大的水面支持，可大范围活动、水下深潜、轻松进入复杂结构等多种优势。
参考文献
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[2] Shusheng Bi，Chuanmeng Niu，Yueri Cai，Lige Zhang，Houxiang Zhang. A waypoint-tracking controller for a bionic autonomous underwater vehicle with two pectoral fins[J]. Advanced Robotics，2014，2810：.
[3] 徐玉如，李彭超. 水下機器人发展趋势[J]. 自然杂志，2011，03：125-132+2.
作者简介：裴雷（1997-），男，汉族，郑州大学机械工程学院2016级学生
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