生物污损对推进器空化流动及声学特性的影响

《Ocean Engineering》：Effects of biofouling on propulsor cavitation flow and acoustic characteristics

开放式框架水下机器人结构优化与流体动力学性能研究。提出分层孔隙优化方法，通过CFD模拟与实验验证，确定了最佳框架比0.53和侧墙开口比40%，显著降低涡旋强度18.2%，改善升阻比并减少尾流长度，为开放式框架水下机器人设计提供参考。

　　在水下机器人技术不断发展的背景下，开放框架结构因其优越的机动性和抗扰动能力，成为了一种备受关注的设计方案。这类机器人在水下结构检测、设备维护和水下生物采样等任务中展现出重要价值。然而，尽管其应用广泛，开放框架结构的水动力特性分析仍相对有限。为了提升此类水下机器人的性能，本文提出了一种分层孔隙优化方法，通过模拟和实验验证，探讨了不同孔隙率和阻塞率对机器人流场的影响，从而为优化设计提供了理论依据和实践指导。

开放框架结构在水下作业中具有多个优势，例如减轻重量、增加设备安装空间以及便于回收。这些特性使得开放框架机器人能够满足多样化的任务需求，尤其是在靠近海底的勘探和抗水流操作中表现突出。然而，为了实现更高效的水下作业，必须对这些结构参数进行合理优化。本文的研究重点在于如何通过调整开放框架的孔隙率和阻塞率，实现对流场的优化控制，从而提高机器人的航行稳定性与推进效率。

通过数值模拟，研究发现当机器人以0.4米/秒的稳定速度运行时，优化后的开放框架结构可使侧壁涡旋减少18.2%。这一结果表明，通过合理设计开放框架的孔隙结构，可以有效降低水下阻力，提升机器人的运行效率。此外，通过计算流体力学（CFD）分析，研究还探讨了不同速度和运动条件下，压力分布、湍流动能（TKE）以及涡旋变化情况。分析表明，当阻塞率设置为30%时，能够实现最佳的平衡效果，提高升力与阻力比，并减少尾流长度。

为了验证这些发现，本文还进行了实验测试。实验结果与数值模拟保持一致，进一步确认了数值分析的准确性。整体来看，研究提供了定量证据和实用设计参考，为提升开放框架水下机器人的效率和稳定性奠定了基础。同时，研究还揭示了开放框架结构在水下作业中对流场和涡旋结构的影响，为未来的设计提供了新的思路。

在开放框架结构的设计过程中，侧壁的孔隙率是一个关键参数。通过调整孔隙率，可以有效控制流体在侧壁区域的流动模式，从而影响机器人整体的水动力特性。本文通过分层孔隙优化方法，结合CFD分析，确定了最佳的侧壁孔隙率和框架比例。其中，框架比例为0.53，侧壁孔隙率为40%。这些数值不仅在数值模拟中表现出良好的效果，也在实验中得到了验证。

为了实现这一优化目标，研究采用了三维建模和CFD分析相结合的方法。通过分析不同孔隙率和框架比例对流场的影响，研究者能够更全面地理解水下机器人在不同操作条件下的流动特性。此外，研究还探讨了不同阻塞率对涡旋结构的影响，发现当阻塞率设置为30%时，涡旋结构更加稳定，能量损耗更小，升力与阻力比更高。这一结果表明，合理设置阻塞率和孔隙率是提升开放框架水下机器人性能的关键。

在实验部分，研究者构建了一个开放框架水下机器人的原型，并在水池中进行了实验测试。实验结果显示，机器人在稳定速度下运行时，其侧壁涡旋显著减少，且流场的稳定性得到了提升。此外，实验还验证了不同阻塞率对流场的影响，发现当阻塞率设置为30%时，流场变化更为稳定，涡旋结构更加紧凑，从而提升了机器人的推进效率和机动性。

在分析水下机器人运动状态对流场的影响时，研究者通过不同时间点的流场可视化，观察到机器人在加速阶段和稳定运行阶段的流场变化。在加速阶段，流场显示出初始附着与低动量流体的相互作用，以及尾流区域的形成。而在稳定运行阶段，尾流区域保持紧凑和稳定。随着速度的增加，尾流区域的湍流增强，涡旋结构变得更加明显。这些发现表明，合理控制机器人速度是减少湍流扩散、提升精度操作性能的重要手段。

在分析不同阻塞率对流场特性的影响时，研究者通过调整阻塞率，观察到不同阻塞率下涡旋结构的变化。当阻塞率较高时，涡旋结构更加扩散，甚至出现分裂现象，这可能导致能量损耗增加，影响推进效率。而当阻塞率适中时，涡旋结构更加紧凑，能量损耗更小，升力与阻力比更高。因此，选择适当的阻塞率对于优化水下机器人的性能至关重要。

综上所述，本文的研究成果不仅为开放框架水下机器人的设计提供了理论支持，还通过实验验证了数值模拟的可靠性。研究提出了一种分层孔隙优化方法，结合水动力机制分析，为提升水下机器人的效率和稳定性提供了实用的设计指南。这些成果对于未来水下机器人技术的发展具有重要意义，特别是在复杂水下环境下的应用。