具有多孔结构的大型无人潜水器流场扰动及阻力特性的分析

《Ocean Engineering》：Analysis of flow field disturbance and drag characteristics of large-size unmanned submersible with porous structures

本研究通过计算流体动力学模拟和水槽实验，分析具有开孔结构的大型无人潜水器的流体力学性能。结果表明孔隙率显著影响总阻力，2.5m/s时R30模型总阻力比R10高6.8%，其中差压阻力占85%以上。垂直圆形孔隙结构可使升力降低48.3%，而水平孔隙结构仅降低7.4%。实验验证了模型与真实尺度设备的性能趋势。

　　
随着深海资源开发需求激增，重型无人水下航行器（如搭载200个传感器的大型ROV）的研发已成为热点。这类装备通常采用开放式结构承载作业单元，但孔隙结构对流体动力特性的影响尚未形成系统性认知。本研究通过数值模拟与实体水槽试验相结合的方式，揭示了不同孔隙参数对水下航行器阻力与升力特性的影响规律。

在数值模拟方面，研究团队构建了多孔结构参数化模型体系。以12米长、3米宽的典型作业体为原型，通过等效孔隙模型替代实际开孔结构，重点考察孔隙率（10%-30%）、孔径（600mm特征尺寸）、形状（圆形与方形）及空间分布（水平与垂直）等关键参数。采用SST k-ω湍流模型配合VOF方法，成功捕捉了复杂孔隙结构引起的流动分离与涡旋脱落现象，特别在处理大尺度低频涡动时，相较传统k-ε模型误差降低达18.7%。

实验验证部分采用1:5缩比模型，在2.5m/s典型巡航速度下，孔隙率30%的R30模型总阻力较基准R-NP（无孔隙）高出6.8%。其中差压阻力占比达86.3%，较基准提升9.3%，这主要源于孔隙结构诱发的多尺度涡旋系统。值得注意的是，虽然差压阻力增幅显著，但黏压阻力反而下降9.5%，表明孔隙结构在增加湍流耗散的同时，也改变了流场能量分布。

结构形态研究显示，垂直布置的圆形孔隙模型（R10-V）较水平布置的同参数模型（R10）能降低48.3%的升力系数。这种差异源于垂直孔隙形成的定向涡旋对升力面的干扰效应，当涡旋脱落频率与 hull 产生谐振时，升力波动幅度达到基准值的3.2倍。通过水槽试验验证，缩比模型在1:5比例下阻力预测误差控制在5.8%以内，验证了数值模型的可靠性。

工程应用层面，研究揭示了孔隙结构设计的优化空间：当孔隙率超过20%时，阻力系数曲线呈现非线性增长，其中差压阻力占比从10%的86.3%逐步提升至30%的93.5%。这为结构设计提供了关键参数阈值——在保证作业单元散热的前提下，建议将孔隙率控制在15%-20%区间。形状对比试验表明，圆形孔隙较方形孔隙的差压阻力降低1.7%，且在2.5m/s速度下升力波动幅度减少34.2%，这可能与圆形孔隙的流场对称性有关。

该研究对深海装备设计具有重要指导价值：首先，提出"三维孔隙参数矩阵"概念，将孔隙率、孔径比、空间分布等12项参数纳入设计考量；其次，发现当孔隙水平分布宽度超过0.3倍船体宽度时，阻力系数会呈现指数级增长，这为舱体结构布局提供了量化依据；最后，通过建立流体动力性能预测模型，可将新设计船型的验证周期从传统6个月缩短至2周。

在工程实践方面，研究团队已开发出基于孔隙结构优化的船体快速设计平台。该平台集成CFD模拟与拓扑优化算法，可在保持30%孔隙率的前提下，通过调整孔隙分布密度（从5孔/m2到12孔/m2），使总阻力降低至基准值的92.4%。实际测试表明，采用该优化方案的重型ROV在300吨/小时的矿物采集作业中，较传统设计节能18.6%，同时保持0.12m/s2的横向稳定性。

该研究还存在若干待深化方向：首先，在极端工况下（如流速超过3m/s），孔隙结构对流体动力特性的非线性影响尚未完全解析；其次，不同海况（如波浪高度超过1m）下的孔隙结构适应性仍需实验验证；最后，如何将数值模拟结果与实船测试数据建立动态映射关系，仍是提升设计效率的关键瓶颈。未来研究将结合机器学习算法，建立孔隙结构参数与流体动力特性的高精度预测模型，为深海装备设计提供智能化决策支持。