一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器及其设计方法

本发明属于水下推进器，特别涉及一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器及其设计方法。

背景技术：

1、随着海洋领域的开发、海上贸易的频繁交易以及各国军事实力的提升，对水下推进器的需求正在发生显著变化；这些变化主要体现在对水下推进器性能的更高要求上，不仅要满足船舶快速性的需求，还要尽可能降低噪声以增加潜行的隐蔽性。船舶螺旋桨理论发展至今已有上百年的历史，通过直径、盘面比和侧斜优化等传统方法来提高性能的技术手段几乎已经做到极致，螺旋桨效率、空泡脉动压力和噪声等性能的进一步提升遇到了较大的技术瓶颈。

2、为了提高水下推进的综合性能，相关学者相继提出了导管桨、对转桨和轮缘推进器；然而，由于密封性差、散热能力差以及长轴系系统的存在，导致导管桨和对转桨相较于现有传统的水下推进方式而言，提高的性能有限。轮缘推进器作为一种新型的水下推进方式，其电机可以直接驱动螺旋桨，具有结构紧凑、振动噪声低等优点。无轴轮缘推进器作为新型的水下推进器，其水动力性能和低噪性能是目前研究的主要内容；解释性地，保证推进器推进效率的同时，还能降低空泡脉动压力和水动力噪声，一直是水下推进器设计领域的难题。

3、fish等在20世纪末提出了导缘凹凸这一概念，并且在风洞中完成了仿生鳍的试验，将仿生机翼和无仿生结构标准翼的空气力性能进行比较，证明了凹凸导缘具有改善机翼的空气力性能以及提升升力系数降低阻力系数的效果，同时有助于改善气动力的失速特性。

4、目前，现有设计的无轴轮缘推进器的推力和转矩还需进一步提升，隐蔽性也需要进一步加强。具体示例解释性地，申请号为cn202111401290.7的中国发明申请，公开了一种基于指数衰减曲线的导边变形仿生螺旋桨参数化变形方法，该方法根据座头鲸鳍状肢前缘凹凸形状构建指数衰减曲线；通过cfd模拟计算方法进行水动力性能计算，说明了带有凹凸结构的仿生桨可以在一定程度上提高螺旋桨的水动力性能；其中，进速系数j＝0.3时推进效率提高最明显，增加了0.34％；但是，采用其公开的衰减函数优化导边后减少了盘面比，减少了部分推力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器及其设计方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，利用了仿生学原理，将无轴轮缘推进器的叶片的导边设计为包括多个凹凸结节的结构，能够提高推力和转矩，同时能够降低噪声提高隐蔽性。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明第一方面，提供一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器，包括：内含定子的导管、内含转子的轮缘以及仿生叶片；其中，

4、所述轮缘可转动的设置于所述导管内，所述仿生叶片固定设置于所述轮缘内；

5、所述仿生叶片设计有随边和导边，所述导边的全长或者部分长度上设计为凹凸结节结构；其中，所述凹凸结节结构通过模仿座头鲸胸鳍前缘的凹凸结节设计获得。

6、本发明的进一步改进在于，

7、所述凹凸结节结构中的凹凸结节的排列情况为，以导边为基准线并向外凸起，向外凸起的方向为随边指向导边的弦长方向。

8、本发明的进一步改进在于，

9、所述凹凸结节结构中的凹凸结节的排列情况为，以导边为基准线并向内凹陷，向内凹陷的方向为导边指向随边的弦长方向。

10、本发明的进一步改进在于，

11、所述凹凸结节结构中的凹凸结节的排列情况为，以导边为基准线并部分向内凹陷、部分向外凸起；其中，向内凹陷的方向为导边指向随边的弦长方向，向外凸起的方向为随边指向导边的弦长方向。

12、本发明的进一步改进在于，

13、所述凹凸结节结构中，结节高度的表达式为，

14、

15、式中，h为结节高度；ri为无轴轮缘推进器叶片任意位置处半径；r为叶片叶梢圆半径；a为振幅；λ为波长。

16、本发明的进一步改进在于，

17、振幅a的取值范围为0.025c～0.12c，波长λ的取值范围为0.2c～0.5c；

18、其中，c为仿生叶片的平均弦长。

19、本发明的进一步改进在于，

20、所述轮缘与所述仿生叶片为一体化设计结构。

21、本发明第二方面，提供一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器的设计方法，包括：

22、将待设计的无轴轮缘推进器的桨叶中导边的全长或者部分长度上设计为凹凸结节结构，形成仿生叶片；

23、其中，所述凹凸结节结构通过模仿座头鲸胸鳍前缘的凹凸结节进行设计。

24、本发明的进一步改进在于，

25、所述凹凸结节结构中的凹凸结节的排列情况为，以导边为基准线并向外凸起，向外凸起的方向为随边指向导边的弦长方向；

26、或者，

27、所述凹凸结节结构中的凹凸结节的排列情况为，以导边为基准线并向内凹陷，向内凹陷的方向为导边指向随边的弦长方向；

28、或者，

29、所述凹凸结节结构中的凹凸结节的排列情况为，以导边为基准线并部分向内凹陷、部分向外凸起；其中，向内凹陷的方向为导边指向随边的弦长方向，向外凸起的方向为随边指向导边的弦长方向。

30、本发明的进一步改进在于，

31、所述凹凸结节结构中，结节高度的表达式为，

32、

33、式中，h为结节高度；ri为无轴轮缘推进器叶片任意位置处半径；r为叶片叶梢圆半径；a为振幅；λ为波长。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、本发明公开的具有仿生结构的无轴轮缘推进器中，利用了仿生学原理，将传统无轴轮缘推进器的桨叶的导边的部分或全部设计为凹凸结节结构；其中，通过模仿座头鲸胸鳍前缘的凹凸结节设计获得了放生叶片，能够提高推力和转矩，同时能够降低噪声提高隐蔽性。进一步具体解释性地，本发明将无轴轮缘推进器的桨叶的导边设计为凹凸结节结构，相较于现有传统的无轴轮缘推进器叶片，本发明结构具有更大的桨叶面积；因此，在一定主机功率下能够产生更大的推力。另外，本发明的仿生叶片上的空泡尺寸被凹凸结节分割成离散分布，可以抑制或推迟空泡的产生；因此，可降低噪声并提高隐蔽性。再有，结节产生的正负涡的相互作用增强了粘性耗散，导致叶片脱落涡更快地消失；因此，结节的存在有利于减小叶片脱落涡。

技术特征：

1.一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器，其特征在于，

5.根据权利要求2至4中任一项所述的一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器，其特征在于，所述轮缘(2)与所述仿生叶片为一体化设计结构。

8.一种权利要求1所述的具有仿生结构的无轴轮缘推进器的设计方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器的设计方法，其特征在于，

10.根据权利要求9所述的一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器的设计方法，其特征在于，

技术总结本发明属于水下推进器技术领域，公开了一种具有仿生结构的无轴轮缘推进器及其设计方法；其中，所述具有仿生结构的无轴轮缘推进器包括：内含定子的导管、内含转子的轮缘以及仿生叶片；所述轮缘可转动的设置于所述导管内，所述仿生叶片固定设置于所述轮缘内；所述仿生叶片设计有随边和导边，所述导边的全长或者部分长度上设计为凹凸结节结构；其中，所述凹凸结节结构通过模仿座头鲸胸鳍前缘的凹凸结节设计获得。本发明利用了仿生学原理，将无轴轮缘推进器的叶片的导边设计为包括多个凹凸结节的凹凸结节结构，能够提高推力和转矩，同时能够降低噪声提高隐蔽性。技术研发人员：陈进华,朱思聪,张驰,乔海,高云鹏,王冬杰,李旭东受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/1