基于脉冲运动模拟的浅浸没航行器深度依赖附加质量计算研究(第一部分：静止加速)

研究人员针对浅浸没水下航行器(SAUV)的流体动力学参数识别难题，创新性地提出采用脉冲式加速运动模拟技术，通过FOAM-Extend开源平台的Naval Hydro软件包完成CFD仿真。该方法通过短时平滑加速度斜坡实现最小二乘法拟合，成功获取与Lamb's k-factor公式误差小于0.5%的附加质量值，揭示了自由表面对附加质量的渐进式衰减效应，为近水面Lagrangian机械系统建模提供了高精度参数识别方案。

　　

水下航行器在近水面作业时面临复杂的流体动力学挑战，传统振荡式平面运动机构(VPMM)测试存在耗时长、频率依赖性强等局限。更棘手的是，自由表面效应会显著改变航行器的附加质量特性，而现有基于势流理论和线性化自由表面假设的低精度方法难以准确捕捉这些非线性效应。

美国弗吉尼亚理工大学的研究团队在《Applied Ocean Research》发表创新成果，开发出基于脉冲加速运动的新型计算模型。该研究采用FOAM-Extend中的Naval Hydro软件包进行高保真CFD仿真，通过设计0.001秒级的平滑加速度斜坡，结合最小二乘拟合技术，实现了对6:1长细比椭球体附加质量的高精度识别。关键技术包括：动态网格运动处理、两相流界面捕捉的Ghost Fluid方法、基于isoAdvector的几何界面重构，以及针对不同浸没深度(0.75D-8D)的系列对比仿真。

【运动建模创新】
研究团队设计的三角函数加速度曲线(式3)消除了运动学不连续性，仿真显示在5m/s²加速度下，附加质量计算结果与加速度幅值完全无关，最大偏差仅0.02%。通过比较零阻尼、线性阻尼和二次阻尼模型(式4-6)，证实线性阻尼模型的残差二范数最小，最适合描述系统动力学特性。

【深度效应解析】
当浸没深度从8D减至0.75D时，横荡附加质量下降12.5%。图14的动态压力场显示，自由面密度突变导致压力分布不对称是主因。特别值得注意的是，在h/D<3的浅浸没状态下，附加质量出现显著衰减，这对传统"无限深"假设下的运动预测模型构成挑战。

【能量建模验证】
通过直接计算流体动能(式11)推导的附加质量与力法结果高度吻合(误差约1%)。图19的动能-速度平方线性关系验证了KE=1/2ν^TM_Aν的理论模型，为LNMS能量模型参数识别提供了双验证途径。

这项研究突破了传统VPMM方法的局限，首次通过短时脉冲运动实现了频率无关的附加质量识别。其核心价值在于：1)计算效率提升数十倍；2)准确捕捉自由表面渐进效应；3)证实粘性边界层在短时脉冲中可忽略；4)为多体耦合运动建模提供分解策略。研究团队在讨论中指出，该方法可扩展应用于航行器稳态运动工况的阻尼参数识别，为完整构建非线性近水面运动模型奠定基础。未来工作将聚焦前向速度影响、自由面波形耦合效应等更复杂工况的参数识别。