船舶编队航行中的水动力干扰机制研究：基于CFD的多船型编队阻力优化与波浪环境稳定性分析

本研究针对多船编队航行中的水动力干扰问题，通过计算流体力学(CFD)数值模拟构建了多船编队水动力性能预测模型。系统分析了静水与规则波环境中串联、V型编队的阻力特性，发现串联编队中后船最大可获37.2%阻力增益，V型编队需满足Kelvin波角约束才有效。研究为船舶节能编队设计提供了理论依据。

　　

在自然界中，鸟类V型编队飞行和鱼群集群游动等现象早已引发科学家关注，这些生物通过群体运动实现能量节省的机制被称为"流体力学智慧"。将这一原理移植到船舶领域，多船编队航行可能带来显著的节能效益，但长期以来，船舶编队的水动力干扰机制存在三大研究空白：多船（≥3艘）编队数据匮乏、波浪环境影响不明、不同航速/间距下的阻力-稳定性关系不清。

针对这些问题，研究人员基于计算流体力学(CFD)构建了多船编队水动力性能预测模型。研究采用动态重叠网格技术，通过求解质量守恒方程（?ρ/?t+?·(ρu)=0）和RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）方程，对高速小艇模型进行仿真。重点分析了静水中两船/三船串联编队、V型编队，以及规则波环境下的水动力特性。

静水环境下的关键发现
串联编队中，后船阻力增益呈现"双阈值"特性：在Fr（弗劳德数）<0.38且间距为0.35L–2.10L时，后船最大阻力降低37.2%；而高速（Fr≥0.38）时仅特定间距能产生增益。三船等距串联时总阻力降低最优，且每艘船的阻力仅取决于与前船的间距，与编队总船数无关。

V型编队则表现出严格的"波角约束"：仅当后船完全位于前船Kelvin波角（<35°）内时才产生显著阻力增益，波角≥35°时效益急剧下降。这种几何约束与鸟类V型编队的飞行力学原理高度相似。

波浪环境的新认知
规则波中阻力降低效果减弱，但发现了意外的稳定性增益：前船能显著改善后船运动稳定性，使第二船和尾船的纵摇分别降低60%和70%。这种"流体力学遮蔽效应"为恶劣海况编队航行提供了新思路。

该研究通过CFD技术揭示了多船编队水动力干扰的深层机制：在静水中，串联编队的阻力增益源于前船尾流区的低压区利用，而V型编队则受限于船舶兴波干扰的几何约束；在波浪环境中，前船产生的流场重构能有效抑制后船运动响应。这些发现不仅为船舶节能编队设计提供了量化依据（如最优间距公式0.35L–2.10L），更揭示了生物集群运动与人工航行器编队在流体力学原理上的共性规律。

研究特别指出，当前结论基于高速小艇模型，后续需验证其在货轮、油轮等船型的普适性。论文发表于《Ocean Engineering》，其建立的"多动态区域重叠网格法"为复杂编队水动力计算提供了高精度解决方案，相关成果可拓展至无人艇集群、海洋工程装备协同作业等领域。