水翼尾部形狀對水翼繞流及水力阻尼特性影響研究

水力機(jī)械葉片尾部的卡門渦會(huì)導(dǎo)致機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)和葉片裂紋。工程實(shí)踐表明，修改葉片尾部幾何形狀有可能避免卡門渦共振的發(fā)生，但其背后的機(jī)理卻尚未被揭示。本研究通過試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究了不同尾部形狀水翼繞流及其水力阻尼特性。主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新性成果如下： （1）設(shè)計(jì)了水翼水力阻尼實(shí)驗(yàn)，在水翼表面嵌入激振片給予水翼激振，最大程度的減小了對水翼附近流場的干擾作用，有效的克服了高速水流環(huán)境下水聲噪音的影響。通過測試獲得了不同流速和共振模態(tài)下的水力阻尼參數(shù)值； （2）明確了水力阻尼比與流速之間的關(guān)系。水翼固有頻率隨著流量的增加略有增大，在共振發(fā)生的流量點(diǎn)之前，水力阻尼比保持定值之后線性增加，該規(guī)律與水翼尾部形狀無關(guān)； （3）獲取了水翼在不同流速條件下的尾流區(qū)流場特征（包括尾部正背面剪切層干涉及旋渦脫落過程、脫落旋渦頻率、脈動(dòng)壓力場和速度場分布、渦強(qiáng)度和渦核直徑等）和水翼水動(dòng)力響應(yīng)特性參數(shù)； （4）建立了較為可靠的水力阻尼數(shù)值預(yù)測方法，分析誤差在20%以下。將水翼尾流流場的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)聯(lián)系起來，提煉流場特征參數(shù)與水力阻尼參數(shù)的關(guān)系，提出了一種通過觀水翼測流場特征來預(yù)判其水動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的方法。 2100433B

水力機(jī)械葉片尾部的卡門渦會(huì)導(dǎo)致機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)和葉片裂紋。工程實(shí)踐表明，修改葉片尾部幾何形狀有可能避免卡門渦共振的發(fā)生，但其背后的機(jī)理卻尚未被揭示。本研究以試驗(yàn)為主要研究手段，針對3種較為典型的水力機(jī)械葉片尾部形狀，以水翼為主要研究對象，開展尾部形狀與其水力阻尼特性關(guān)系的研究。首先獲取水翼在不同流速條件下的尾流區(qū)流場特征（包括尾部正背面剪切層干涉及旋渦脫落過程、脫落旋渦頻率、脈動(dòng)壓力場和速度場分布、渦強(qiáng)度和渦核直徑等）和水翼水動(dòng)力響應(yīng)特性參數(shù)；通過不同流速下的水翼振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)識別出水力阻尼參數(shù)，構(gòu)建不同尾部形狀水翼的水力阻尼參數(shù)與流速的關(guān)系，并明確其適用條件；最后揭示Donaldson尾部形狀水翼不發(fā)生“鎖頻”現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理，并給出尾部形狀對水力阻尼的影響，最終提出考慮水力阻尼特性的水翼尾部形狀優(yōu)化方法，以期科學(xué)地指導(dǎo)水力機(jī)械葉片尾部形狀設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步提高水力機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)指導(dǎo)。

噴射飛航的金星水翼船需要的技術(shù)跟航空十分相似，因此美國的波音公司在60年代便開始研究水翼船。1974年，波音建造了6首131呎長的PHM型全浸式水翼船軍艦。艦上裝有反艦導(dǎo)彈、75亳米快速炮。航速超過45節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)為2部800匹柴油引擎(飛航前用)，及2部17,000匹GE海事用燃?xì)庖?飛航時(shí)用)，用噴水器推進(jìn)。同時(shí)波音亦發(fā)展了民用的水翼船渡輪，稱為JetFoil929型。929型亦為全浸式水翼船，水翼可以收起，以進(jìn)入淺水的地區(qū)。船身長90呎，以鋁合金制造，凈重約100噸，載客量可達(dá)250人，航速逹45節(jié)。推進(jìn)的動(dòng)力，來自2部勞斯萊斯Allison 501k燃?xì)庖?，用噴水器推進(jìn)。波音總共生產(chǎn)了26艘929型水翼船，買家有日本、英國、印尼等地的渡輪公司。當(dāng)中香港的信德集團(tuán)旗下的遠(yuǎn)東水翼船(1999年7月與中旅僑福(CTS-Parkview Ferry Service Co. Ltd.)的港澳飛航 TurboCat 合并后改稱噴射飛航)是最大的用戶，曾擁有16艘用來提供往來香港及澳門之間的服務(wù)(有3艘已售予韓國)。波音停止生產(chǎn)JetFoil后，將生產(chǎn)專利賣給日本川崎重工(Kawasaki Heavy Industries, Co. Ltd.)，大約生產(chǎn)了15艘。90年代中期，中國船舶工業(yè)集團(tuán)旗下的上海新南船廠(CSSC Shanghai Simmo)亦曾短暫授權(quán)生產(chǎn)2艘(型號為 PS-30)予香港的遠(yuǎn)東水翼船(其中1艘已售予韓國)。

從前看，左:半浸式水翼；右:全浸式水翼早期的水翼船在采用U型的水翼。這種水翼被稱為“半浸式”或“割劃式”水翼。因?yàn)樵谒盹w航時(shí)，U型水翼會(huì)有部份是浸在水中，而部份則會(huì)割破水面露在空中。半浸式水翼的結(jié)構(gòu)較為簡單，推進(jìn)一般用船尾浸在水中的螺旋槳及方向舵。較新的水翼船則是采用倒 T 型的水翼，這種水翼被稱為“全浸式”，因?yàn)樗?jīng)常保持在水下?！叭健钡乃硎芎＠说挠绊懕取鞍虢健毙?，因此全浸式水翼船在大浪的海上行走時(shí)更為穏定，亦更為舒適。但是因?yàn)槿剿碓O(shè)計(jì)不具自我穏定的特性；故此必須要由自動(dòng)控制系統(tǒng)就海面情況、船身姿態(tài)、速度、加速等參數(shù)不斷改變水翼的攻角，以維持水翼飛航的狀態(tài)。如果水翼船突然失速(例如發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重故障，或者因碰撞而突然減速)，飛航中的船身可能會(huì)突然掉回水中，造成意外。部份全浸式水翼船的推進(jìn)采用燃?xì)鉁u輪引擎，配以噴水系統(tǒng)，避免了螺旋槳及方向舵帶來的阻力。船在航行時(shí)，船體受水的阻力較大，影響船的航行速度

波音PHM全浸式水翼船美國人William E. Meecham 早在 1906年便在Scientific American 內(nèi)曾經(jīng)發(fā)表關(guān)于水翼原理的文章。電話的發(fā)明人貝爾認(rèn)為這是項(xiàng)重要的發(fā)明，他畫出類似水翼船的草圖，然后與Casey Baldwin合作，在1908年進(jìn)行關(guān)于水翼的實(shí)驗(yàn)。Baldwin研究過意大利發(fā)明家Enrico Forlanini的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行自己的設(shè)計(jì)。1910年貝爾在意大利與Forlanini 見面，并在湖上試乘Forlanini 的水翼船?；氐矫绹?，他們建造了HD-4 號，逹到了時(shí)速87公里的速度。在美國海軍的支持下，他們改用兩副350馬力(260kW)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在1919年9月創(chuàng)下時(shí)速114公里的紀(jì)錄。這項(xiàng)紀(jì)錄一直保持了十年。