《Ocean Engineering》：Numerical study on three-dimensional effects of wave glider umbilical cables and suppression via porous medium coating: CFD simulation and sea trial validation
编辑推荐：
提升波浪滑翔机在复杂海洋环境中的稳定性和操控性，本研究通过三维非定常流体动力学模型分析脐带缆在不同攻角下的流动分离、涡脱落周期及三维扰动现象，发现攻角增大加剧涡脱落强度与三维效应，导致阻力增加与升力波动显著，影响推进效率与航向稳定性。提出中段多孔介质涂层策略，通过CFD与海试验证，涂层可有效抑制三维扰动，最大减阻率达11.55%，尤其在15°、20°、30°、90°攻角时显著降低涡脱落频率与振幅，提升波浪滑翔机轨迹跟踪、航向跟踪及速度性能。
桑洪强|张耀丹|孙秀军|张帅|刘芬
天津工业大学机械工程学院及先进机电设备技术天津市重点实验室，中国天津，300387
摘要
为了提高波浪滑翔机在复杂海洋环境中的稳定性和机动性，本文系统研究了脐带电缆在不同攻角下的三维流动特性。建立了一个基于计算流体动力学（CFD）的三维非稳态数值模型，用于分析流动分离、涡脱落周期和三维扰动现象。研究结果表明，随着攻角的增加，涡脱落加剧，三维效应变得更加显著，导致阻力增加和升力波动增大，从而降低了波浪滑翔机的推进效率和航向稳定性。本文提出了一种多孔介质涂层策略，并验证了其有效抑制三维扰动的效果。仿真结果显示，在脐带电缆中部进行部分涂层处理可以减少阻力，并显著抑制涡脱落和尾流不稳定性，最大阻力降低比为11.55%。对比分析表明，在15°、20°、30°和90°的攻角下，涂层策略对涡脱落的抑制效果尤为显著，有效降低了脐带电缆的涡脱落频率和波动幅度。海试结果进一步证实，涂层脐带电缆提高了波浪滑翔机的路径跟踪、航向跟踪和速度性能。
引言
随着国家对远程探索和持续环境监测需求的增长，波浪滑翔机作为一种先进的无人海洋航行器应运而生（Du等人，2021年）。波浪滑翔机由三个核心部件组成：水面浮筒、脐带电缆和潜入水中的滑翔体。如图1所示，潜入水中的滑翔体通过脐带电缆与水面浮筒相连（Yuan等人，2023年）。水面浮筒装有太阳能板，将太阳能转化为电能并储存在电池组中。此外，波浪滑翔机还配备了GPS和北斗定位系统，以实现实时导航信息获取，确保在复杂海洋环境中的稳定性和准确性。
图2展示了波浪滑翔机的推进原理。该滑翔机采用双体结构，水面浮筒通过波浪作用垂直运动，吸收波浪能量并将其转化为重力势能。然后，潜入水中的滑翔体通过六对串联水翼的被动俯仰运动将重力势能转化为前进动力（Sun等人，2022年）。波浪滑翔机在多个领域具有广泛的应用潜力，包括海洋环境监测、水下地形测绘、资源勘探和海上安全（Thomson等人，2018年；Zhang等人，2019年）。
然而，连接水面浮筒和潜入水中的滑翔体的脐带电缆作为能量传输和整个系统运动的关键部件，直接影响波浪滑翔机的行驶效率和稳定性。水面浮筒的剧烈俯仰、滚动和纵摇运动通过脐带电缆传递到水下部分，导致脐带电缆发生严重的拉伸、弯曲、扭转和高频涡激振动（VIV）。这种显著的三维效应不仅增加了波浪滑翔机的整体流体动力阻力，严重削弱了其导航效率和机动性，还加速了脐带电缆的结构疲劳。因此，研究脐带电缆的三维效应具有重要的科学和工程意义。
相关研究探讨了圆柱形结构的流动特性和VIV抑制方法，为脐带电缆研究提供了部分理论和实验参考。在三维流动特性方面，通过CFD仿真比较了圆柱形、扁平形和NACA截面脐带电缆的流体动力性能，证实了优化NACA截面的优越性（Sang等人，2025年）。研究了倾斜圆柱体周围的涡脱落现象，发现偏航角对涡脱落具有抑制作用（Thapa等人，2014年）。DNS验证表明，在Re = 5000时，圆柱体表现出显著的三维尾流特性，全局不稳定性和对流不稳定性的共存导致了涡流畸变（Aljure等人，2017年）。对倾斜有限长度圆柱体的大涡模拟（LES）研究表明，独立性原理不成立，并揭示了间歇性涡流模式切换和波纹剪切层破裂的机制（Zhou等人，2022年）。分析了不同倾斜角度下的有限长度圆柱体流动，验证了大角度下独立性原理的失效（Liu等人，2024年）。
在VIV抑制和阻力降低技术方面，证明了防护罩和多孔突起在VIV控制中的有效性，将多孔突起应用于仙人掌形状的圆柱体可显著降低VIV幅度，并通过调整突起布局和形状进一步优化性能（Sun等人，2022年；Chen等人，2024年）。针对Re = 5000时的钝体，提出了一种横向分布吸力的策略，通过三维流动调节实现了有效的阻力降低（Yue等人，2025年）。分裂板被证明可以通过抑制涡脱落和缩小尾流区域来减少椭圆圆柱体的阻力（Soumya和Prakash，2017年）。多孔介质涂层也被证明是一种有前景的方法：在达西数10^-2时，多孔层可以减少阻力并抑制VIV；而在达西数10^-3时，尽管VIV得到有效抑制，但阻力会增加（Chen和Wu，2023年）。研究表明，在下风侧应用多孔介质可以减少阻力、稳定尾流流动，并通过抑制涡流强度和湍流强度来降低涡脱落的频率和幅度（Ji等人，2023年）。多孔涂层圆柱体在低雷诺数条件下表现出显著的阻力降低（最大8.53%）和VIV控制优势（Bhattacharyya和Singh，2011年）。为NACA0012机翼设计了两种多孔表面（类型A和类型B），其中类型B在流动分离控制、冲击波衰减和阻力降低方面表现出良好效果，而类型A的性能较差（Xiang和Yang，2014年）。
尽管取得了这些进展，现有研究仍存在以下关键不足。大多数研究集中在无限长度的圆柱体或非海洋结构上，缺乏对在波浪-水流耦合条件下柔性、承拉脐带电缆的针对性分析。主动控制方法和笨重的被动装置与柔性脐带电缆不兼容，而表面微纹理仅在较小的流动尺度下表现出最佳效果。二维仿真或忽略攻角效应的方法无法完全捕捉脐带电缆的三维流动特性。多孔介质策略并未针对波浪滑翔机的脐带电缆进行定制，其在不同攻角下的抑制机制仍不明确。
受这些研究空白的启发，本文建立了一个三维非稳态数值模型，用于研究脐带电缆在不同攻角下的三维效应。同时，开发了一种多孔介质涂层策略，旨在抑制三维效应、降低阻力并提高波浪滑翔机的机动性。
本文的主要贡献如下：
(1)基于控制方程和湍流模型，建立了波浪滑翔机脐带电缆的三维非稳态数值模型。定义了相关边界条件，并设计了一种合理的网格生成策略，为后续仿真研究奠定了基础。
(2)研究了脐带电缆在不同攻角下的三维效应。分析了不同攻角下的升力和阻力系数、涡脱落模式、涡流演化特性以及三维扰动行为。利用Q准则、涡度等值线和压力等值线等方法揭示了攻角变化对脐带电缆流体动力性能的影响。
(3)提出了一种被动流动控制方法，设计了多种多孔介质涂层策略来覆盖脐带电缆的轮廓，以减轻涡脱落引起的额外阻力和尾流不稳定性。通过分析涂层前后脐带电缆的流场特性和阻力变化，验证了该方法在抑制尾流扰动和提升不同攻角下流体动力性能方面的有效性。海试表明，涂层脐带电缆显著提高了波浪滑翔机的路径跟踪、速度和航向跟踪能力。
本文的其余部分如下：第2节使用CFD软件STAR-CCM+开发了脐带电缆的三维数值模型，并指定了相关边界条件。第3节为三维模型设计了结构化的网格生成策略，并进行了网格和时间步长独立性验证。第4节研究了脐带电缆在不同攻角下的三维效应及其对流体动力性能的影响。提出了使用多孔介质涂层的被动流动控制方法，并通过海试验证了其在提高波浪滑翔机性能方面的效果。第5节总结了研究内容并提出了未来研究方向。
章节摘录
脐带电缆的控制方程
本研究采用CFD数值仿真来研究脐带电缆在长期海洋流和波浪作用下的三维效应。可以将脐带电缆周围的海水视为不可压缩流体，入流视为无限远处的均匀流。因此，脐带电缆周围的流动被视为非稳态、不可压缩的流体流动。流体流动通过质量守恒方程和Navier-Stokes方程进行求解
计算流体动力学模型
在本节中，使用结构化网格对计算域进行离散化，并验证了网格独立性和时间步长独立性，以确保后续仿真结果的可靠性。
结果与讨论
为了研究波浪滑翔机脐带电缆的三维效应并验证所提出的涂层策略的有效性，在0.5 m/s的入流速度下进行了CFD仿真，因为波浪滑翔机通常在低速范围内运行，因此0.5 m/s的入流速度能够准确反映其在低至中等操作速度下的流体动力特性。仿真分析了脐带电缆的流体动力行为
结论
本文系统研究了波浪滑翔机脐带电缆在复杂海洋环境中的三维效应，并验证了一种使用多孔介质涂层的被动流动控制策略，旨在提高脐带电缆的流体动力性能和整体稳定性和机动性。通过CFD仿真，研究了脐带电缆在不同攻角下的三维效应，并设计了有效的
CRediT作者贡献声明
桑洪强：方法论、形式分析、资源获取、监督、资金筹集。张耀丹：研究、形式分析、验证、仿真、初稿撰写、审稿与编辑。孙秀军：形式分析、项目管理、资金筹集。张帅：形式分析、撰写 - 审稿与编辑。刘芬：形式分析、软件应用、角色/初稿撰写。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了天津市自然科学基金项目（编号：25JCZDJC00440）、山东省重点研发计划项目（编号：2025TSGCCZZB0240）和天津大学创新研究团队计划（编号：TD13-5037）的支持。作者感谢“黑珍珠”波浪滑翔机研发团队的所有工作人员。
