赵大刚 管殿柱 夏涛

摘要：  为了满足无人帆船在进行海洋调查时航时长、范围大和寿命高的要求，本文设计了一款新型无人帆船。通过SolidWorks软件建立无人帆船的三维模型，并采用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）对翼帆的气动性能进行分析。在考虑帆船航行实际工作状态的前提下，通过比较柔性帆、刚性帆和翼型对称截面与非对称截面的性能，确定了主帆为NACA 0021，尾翼为NACA 0018翼型的对称刚性帆，以提高帆船的气动性能。同时，采用与飞机升降舵类似结构的尾翼控制翼帆与来流的攻角，极大地降低了控帆的难度与功耗。为分析翼帆的气动性能，选用SST kω模型在Fluent中进行模拟分析。研究结果表明，翼帆的升力系数较大，空气流动平稳，并未出现涡流区，同时，翼帆表面压力呈现平滑的过渡现象，使气流可以平稳的从主帆表面分离，满足设计要求。该研究对使用无人帆船探索海洋具有重要意义。

关键词：  无人帆船; 结构设计; 翼帆; 气动性能

中图分类号： U662.3; U664.31  文献标识码： A

随着全球经济的高速发展，煤炭、石油等不可再生能源的消耗在不断增多，人们逐渐将能源的开采重心从陆地转移到海洋[1]。由于世界各国越来越重视对海洋环境的监测和海洋数据的采集，因此对海洋的探索和研究已成为目前自然科学的热点之一。传统的海洋探索观测技术有人工出海考察、数据浮标和卫星观测等方法[2]，但上述观测方法存在成本较高、机动性差和观测时间短等局限性。以风能为动力的无人帆船具备在海上长时间自主运行的能力，可以用来调查海洋资源、监测海洋环境和预警海洋灾害[3]，这种方法具有成本低、续航时间长和数据可信度高等优点。……