水下航行器机动运动水动力性能的数值模拟与实验研究：基于SUBOFF模型的CFD与旋转臂试验分析

为解决水下航行器(UV)机动运动中非线性水动力系数缺失问题，浙江大学团队通过构建数值拖曳水池和旋转臂试验装置，结合CFD与重叠网格技术，首次系统获取了SUBOFF模型在斜航、回转等机动状态下的水动力系数，填补了角速度相关非线性系数的数据空白，为高精度轨迹预测模型建立提供关键参数支撑。

　　

水下航行器的机动性能直接关系到其在复杂海洋环境中的作业能力，而精确的水动力系数是构建运动预测模型的核心。尽管国际学界对标准SUBOFF模型已开展大量研究，但角速度相关非线性系数和空间耦合效应的数据仍存在显著缺口。传统旋转臂试验因设备稀缺、成本高昂难以普及，而数值模拟中动态网格技术易产生负体积问题，制约了复杂机动工况的研究。这些问题导致现有数学模型难以准确预测航行器的三维运动轨迹，亟需创新研究方法突破技术瓶颈。

浙江大学海洋学院团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，创新性地采用重叠网格(overset grid)技术构建数值拖曳水池、旋转臂试验装置和平面运动机构(PMM)仿真系统，通过45米直径旋转臂水池的物理实验与CFD数值模拟相结合，系统分析了SUBOFF模型在水平面回转、垂直面升降等机动状态下的流场特性。研究团队首先基于ITTC推荐的坐标系定义，建立了包含6自由度(6-DOF)的非线性操纵运动方程；随后通过斜拖试验(OTT)获取速度相关线性系数，为角速度系数拟合奠定基础；最终在旋转臂试验(RAT)中测得关键旋转导数(rotational derivatives)，首次完整揭示了回转半径、漂角(drift angle)和攻角(angle of attack)对主水动力的影响规律。

Coordinate systems
采用ITTC推荐的E-ξηζ地固坐标系和O-xyz体固坐标系，将航行器速度U分解为x、y、z三轴分量，为后续6-DOF运动分析建立数学基础。

Oblique towing test
通过等效替代法数值模拟斜拖工况，发现重叠网格对斜航运动的计算误差仅2.1%，但回转运动误差达8.7%，证实该方法更适用于稳态流动模拟。

Test setup
在直径45米的旋转臂水池中，采用六分力传感器测量模型在单平面/空间回转时的受力特性，首次获得角速度相关非线性系数如Y_r、N_r等，填补了SUBOFF数据库空白。

Conclusion
研究验证了重叠网格技术捕捉SUBOFF模型周围流场的优势，尤其在斜航工况中误差显著低于动态网格法。实验数据与DTRC结果对比显示，水平面回转的水动力系数吻合度达90%，但垂直面机动存在7.2%偏差，揭示攻角对涡分离效应的非线性影响。该成果不仅完善了SUBOFF模型水动力系数数据库，更为旋转臂试验技术标准化提供了重要参考。

讨论部分指出，当前数值模拟对平面运动机构(PMM)高频工况的误差随频率增加而增大，未来需改进非定常流算法。研究成果为深海探测器、无人潜航器(AUV)的精确操控提供了关键参数，推动了中国在船舶流体力学领域的自主创新能力。论文数据已被国际船舶力学界纳入SUBOFF标准数据库，支撑后续研究建立更完善的运动预报模型。