开放式框架水下拖体高速水动力特性与运动稳定性的数值模拟研究

为解决开放式框架水下拖体在高航速工况下的水动力特性分析难题及内部框架流场耦合效应问题，研究人员采用计算流体力学(CFD)方法，基于Realizable k-ε湍流模型对RANS方程进行数值求解，揭示了俯仰角与航速对水动力性能的影响机制，发现头部结构引发的非对称湍流是运动失稳主因。该研究为优化几何构型与姿态控制系统提供了理论支撑，对提升深海探测装备可靠性具有重要意义。

　　

海洋探测技术的快速发展对水下拖曳系统提出了更高要求。这类系统凭借操作简便、续航持久等优势，在海底测绘、军事侦察等领域广泛应用。然而传统封闭式拖体存在有效载荷空间受限的问题，而开放式框架设计虽能提升负载能力，却面临复杂流固耦合作用带来的运动失稳风险。特别是在高速拖曳工况下，其非流线型结构导致的水动力特性变化规律尚未明晰，内部框架与外部流场的相互作用机制更缺乏系统研究。这些瓶颈严重制约着高精度探测设备的部署效果。

针对上述挑战，中国某研究机构团队在《Ocean Engineering》发表论文，通过创新设计开放式框架水下拖体，采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法，结合拖曳水池实验验证，首次系统揭示了该型拖体在高速工况下的水动力性能演变规律。研究团队建立了基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)的流体动力学模型，采用Realizable k-ε湍流模型进行求解，通过SUBOFF标准模型验证了方法的可靠性。

关键技术方法
研究采用多坐标系建模方法，建立北东地(NED)固定坐标系与体坐标系(BODY)描述运动学特征。通过参数化控制俯仰角(0°-20°)和航速(1-5 m/s)工况，利用STAR-CCM+软件进行瞬态模拟，网格数量经独立性验证达450万。实验验证采用国防高级研究计划局(DARPA)公开的SUBOFF模型数据，并开展拖曳水池动态测试。

研究结果

坐标系统
建立的双坐标系模型成功解耦了拖体运动学描述，体坐标系原点设于质心，为后续力矩分析奠定基础。

CFD方法验证
SUBOFF标准模型的阻力系数模拟误差小于5%，涡流脱落频率与实验数据吻合良好，证实数值方法的准确性。

不同俯仰角下的水动力性能
发现侧向水动力与俯仰角呈正相关但波动幅度减小。在20°俯仰角时，3 m/s航速下侧向力较0°工况增加320%，但波动幅度降低42%。头部结构产生的非对称涡流是力脉动的主因。

流场不稳定性分析
头部整流罩边缘产生的卡门涡街导致下游流场不均匀分布，5 m/s航速时尾流区压力波动达静压的18%，这是运动轨迹偏离的根本原因。

结论与意义
该研究首次量化了开放式框架拖体在高速工况下的水动力非线性特征，阐明头部几何构型对流动失稳的主导作用。结果表明：当航速超过4 m/s且俯仰角大于15°时，拖体无法保持直线轨迹；通过优化头部整流罩曲率可使侧向力波动降低35%。这些发现为后续设计高稳定性深拖系统提供了理论依据，对提升深海光学探测设备的作业精度具有重要工程价值。研究同时指出，未来需结合主动姿态控制系统或采用机器学习流场预测方法进一步改善动态性能。