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水翼

[拼音]:shuiyi

[外文]:hydrofoil

水中运动的机翼。它与机翼在空气中运动一样能产生举力。水翼艇(图1)就是利用水翼的这种特性把艇体托出水面,使流体阻力大为减小的交通工具。螺旋桨的翼片也是一种水翼;舵、鳍都属于水翼。

类型

主要有亚空泡水翼和超空泡水翼两种。亚空泡水翼在水中运动时,上下翼面都与水接触。水翼与来流有一定攻角,翼截面(图2)有拱度,因而产生升力。这种水翼的截面形状与亚声速机翼截面近似。一般民用水翼艇都用这种水翼,较高航速可达每小时60海里。水翼的运动速度不断提高,翼面上的负压强便不断下降,当负压强降至低于水在当时温度下的饱和蒸汽压强时,局部翼面上的水出现汽泡(见空化),从而阻力增大,升力就不稳定,并出现空蚀。因此在水翼艇的设计航速范围内不宜有局部空泡出现。若水翼速度继续增大,就变成超空泡水翼。超空泡水翼在水中运动时,其上翼面全部处于空泡之中,仅下翼面与水流接触(图3),这时升力又达到稳定,也不再出现空蚀。这种翼截面形状常设计成略呈弯曲的楔形。装有超空泡水翼的试验艇航速可达 100节。实际使用超空泡水翼尚须解决从亚空泡速度起航,加速达到超空泡翼航的过渡问题。为了满足两种状态对翼剖面不同的要求,已有人提出混合翼型水翼的设想。

流体力学特点

主要有:

(1)水翼运动于水中,水的密度约为空气密度的800倍,故同样外形和运动状态的水翼,其升力比飞机机翼的升力约大800倍,支承同样的重量,水翼需要的面积比机翼要小得多。同时,水翼所受的摩擦阻力和诱导阻力(见流体阻力)也相应增大。

(2)水翼在水中运动,水面兴起波浪会产生兴波阻力;水翼割划水面,发生喷溅并吸入空气会产生喷溅阻力。

(3)为了减小支柱所受的阻力,水翼常运动于离水面很近的水中,但水翼离水面越近则产生的升力越小;浸深小于半翼弦长时,升力明显减小,这种现象称为水面效应。水翼浸深为零时,水翼的表面就成为滑行面(见水面滑行)。

(4)水翼艇的后水翼在前水翼的尾流中运动,必须考虑水面高度和水流方向变化对后水翼的升力、阻力的干扰。

应用

根据水翼艇获得稳定性的原理不同,水翼可分为自稳式和自控式两类。每一类水翼采取不同的外形和布置方式,可以得到不同的航行性能。自稳式水翼又可分为浅浸水翼(图4)和V形水翼(图5),前者主要利用水面效应获得自稳性,后者主要利用割划水面的水翼面积变化获得自稳性。自控式水翼的浸深常略大于弦长,几乎没有水面效应,也没有割划水面的翼面,而是靠襟翼等升力控制面改变角度,从而改变升力获得稳定性(图6)。自控式水翼在水面下较深处,受到波浪扰动小,又加有自动控制系统,可随外力变化不断自动调整升力,所以耐波性能较好。

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