直翼推进器推进机理分析及其在水下机器人中的应用文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

随着船舶与海洋工程事业的发展，根据不同的航行工况与作业条件，业界对舰船的推进性能和操纵性能提出了不同的要求。传统螺旋桨推进器只能产生轴向推力，操纵性能一般，不适用于有高操纵性能要求的场合。而直翼推进器作为一种新型船用推进装置，其优点是操纵性能优良、推进效率较高、适应于不同工况，并可在浅水中使用。由于直翼推进器既可以产生沿舰船行进方向的推力， 又可以根据需要产生任何其他方向的推力，因此使用此类推进器的船舶无需再安装舵。 一般螺旋桨船舶在停航或以极低航速运动时，舵效往往很差或完全丧失操船能力，而直翼推进器在上述工况下仍具有灵活的操纵力。因此直翼推进器受到了国内外学者越来越广泛的关注。

关于直翼推进器的研究，国外很早就开始了，1921年，德国科学家Frederick Kirsten教授申请了第一个摆线推进器专利。随后，美国的Kirsten-Boeing推进器和德国的Voith-Schneider推进器相继问世。并且随着流体力学和计算流体力学（Computational Fluid Dynamic,CFD）的发展，关于直翼推进器的理论不断发展完善，同时随着CFD软件的出现及应用，对于直翼推进器的理论预测与数值模拟逐渐成熟，更加促进了直翼推进器的发展，提高了推进器效率。

关于直翼推进器的实验研究方面，目前最全面的研究资料是Fickenamp;Dickerson在1969年发表于NSRDC报告2983号上的文章[8]，现阶段研究直翼推进器的文章大多是引用他们的实验结果。他们的实验基于图3.1所示的6叶片型直翼推进器装置。实验覆盖面很全，主要分为三个方向：1.偏心率变化（0.4-0.9）；2.方位角变化（-90^o—90^o）；3.叶片数变化（2、3叶与6叶对比），将实验结果以曲线形式绘制并进行相关分析。Voith公司采用试验方法对白县推进去的水动力性能、空泡特性以及其与船体配合作用等多个方面进行了研究并改进，船模和实船实验表明确实该实验优化了其水动力性能和空泡特性但Voith公司并没有对该实验结果进行公开。Voith公司在摆线推进器生产行业目前处于垄断地位。目前这些装备这直翼推进器的船舶在欧洲有着广泛的应用，如图3.2就是装备着直翼推进器正在工作的拖船。

图3.1 国外直翼推进器实验模型

图3.2 装备了直翼推进器的拖船

而国内，相关研究起步较晚，相关理论及实验研究成果较少。实验研究方面，张洪雨教授采用偏心盘—滑块—连杆机构的实验装置对五叶型直翼推进器在不同螺距比和方向角情况下的水动力特性[6]；段瑞采用了图3.3所示的一种伺服电机控制叶片运动的新型推进器实验装置——可控偏角直叶片摆线式推进器进行了实验研究[9]，研究了不同叶片数、不同叶弦长、不同偏心率、不同转速的情况下的推进器水动力性能。

图3.3 国内直翼推进器实验装置[9]

理论与仿真研究方面，随着CFD软件日益发展与成熟，使用CFD软件对直翼推进器进行理论计算模拟可以有更精确的结果，但国内使用CFD软件对直翼推进器进行相关水动力学数值模拟的研究甚少。文献[4]中，浙江大学的陈先进利用CFD方法，利用动域网格与滑移网格相结合的方法，对直翼推进器的水动力性能进行了全面分析，并且对直翼推进器的叶数、叶弦长、叶片转轴位置和叶型等参数对其水动力性能的影响进行了数值计算。这种计算方式值得借鉴思考，但该文章的建模为二维层面的，是否适合三维非完全对称的直翼推进器的所有位置，仍需要进一步分析。此外使用不同的CFD网格划分方法、湍流模型或是流场求解方法都会对结果产生一定的影响。因此可能需要对不同的CFD方法进行比较选择。