矢量推进流线型AUV的艇体几何对导管螺旋桨自航性能影响研究

针对矢量推进流线型自主水下航行器(AUV)在复杂运动中艇体几何与导管螺旋桨的流场耦合问题，浙江大学团队提出基于CFD和重叠网格的高精度自航性能预测方法，揭示了头部形状指数和长径比对水平/垂直转向中水动力阻力的差异化影响，为优化AUV机动性设计提供了理论依据。

　　

海洋探索的精准化需求正推动自主水下航行器(AUV)技术革新。传统流线型AUV依赖舵翼控制，低速机动性差且附加阻力大，而矢量推进技术通过实时调节推进器角度实现精准操控，成为突破瓶颈的关键。然而，采用导管螺旋桨的矢量推进AUV在运动中面临复杂流场干扰，现有仿真方法因忽略艇体-螺旋桨相互作用导致精度不足，且艇体几何参数对自航性能的影响机制尚未明确。

针对这一挑战，浙江大学团队在《Ocean Engineering》发表研究，首次系统评估了艇体几何对矢量推进流线型AUV自航性能的影响。研究采用计算流体力学(CFD)技术，结合重叠网格(overset mesh)方法构建高精度仿真模型，通过1:1比例实验验证了方法的可靠性。创新性地开发了适用于多自由度运动的自航性能预测体系，突破了传统简化模型忽略流场耦合的局限。

关键技术方法
研究基于STAR-CCM+ 2310软件平台，采用Myring方程参数化描述艇体几何，建立包含头部、中部和尾部的三维模型。通过RANS方程和SST k-ω湍流模型求解流场，运用重叠网格技术模拟导管螺旋桨在水平/垂直平面±15°范围内的动态偏转。网格独立性和时间步长验证确保计算精度，实验数据与仿真结果对比验证模型有效性。

主要研究结果

几何模型
采用Myring方程定义的流线型AUV模型分为头部、中部和尾部三部分，重点考察头部长度、头部形状指数和长径比三个变量。导管螺旋桨通过倾斜坐标系实现空间多角度调节，其推力特性通过CFD模拟获取。

数值方法
建立的CFD模型通过重叠网格技术处理艇体与螺旋桨的相对运动，采用动态流体相互作用(DFBI)模块模拟六自由度运动。网格划分采用棱柱层加密边界层，总网格量达千万级，时间步长经无量纲分析确定为0.001s。

艇体几何对水动力性能的影响
水平转向时：头部形状指数显著影响纵荡(surge)方向阻力，长径比主导横荡(sway)和偏航(yaw)阻力；垂直转向时：头部形状指数影响纵荡阻力，长径比主导垂荡(heave)和俯仰(pitch)阻力；空间运动时：长径比增大导致纵荡、垂荡、横荡和偏航阻力同步增加，且显著影响转弯直径和俯仰角周期。

结论与意义
该研究首次量化了矢量推进流线型AUV艇体几何参数与自航性能的映射关系，证实长径比是影响空间机动性的关键参数。提出的CFD-重叠网格耦合方法精度较传统方法提升显著，为早期设计阶段提供了可靠的性能预测工具。成果对深海探测装备的机动性优化具有指导价值，尤其适用于需要复杂轨迹控制的科考任务。研究团队指出，未来可结合机器学习技术建立几何参数-性能数据库，进一步加速AUV的智能化设计进程。