三体船分布式水翼系统中翼展与支柱长度的同步分析：基于OLHS的参数研究及Morris敏感性分析

《Ocean Engineering》：Simultaneous analysis of span and strut length in a distributed hydrofoil system for trimarans: An OLHS-based parametric investigation with Morris sensitivity analysis

　　•通过OLHS–Morris分析揭示了分布式水翼几何形状对三体船耐波性的非线性影响。•确定了水翼跨度与支撑杆长度在阻力及耐波性能中的作用。•表明支撑杆长度通过与水翼跨度的非线性相互作用，会影响船体的上下颠簸和翘尾现象。•使阻力降低45%，纵摇幅度减少72%，上下颠簸降低52%，加速度下降36%，翘尾现象减少38%。•建立了连接水翼几何形状、流体流动特性与三体船水动力性能的框架。

引言
在现代多体船研究中，提升水动力性能已成为核心课题，因为耐波性、波浪引起的载荷以及推进性能都受到流固相互作用的强烈影响，而这些影响会随着速度和海况的恶化而加剧。在此背景下，Askarian Khoob和Ketabdari（2020）指出，由细长中间船体及两个支腿构成的三体船结构，相比单体船和双体船具有更高的容积效率以及更低的造波阻力。这些优势促使三体船被广泛应用于渡轮、军用舰艇、可再生能源平台以及高速休闲船只上。此外，Hamed（2022）和Guo等人（2020）通过基于CFD的优化研究证明，船体形状的优化能够有效降低阻力并改善尾流特性。

如Marshall和Johnson（2023）所强调，且Crowdy（2020）也予以证实，水翼能够产生动态升力，提升船体高度，从而减少黏性阻力和波浪阻力。在高速滑行船只上，类似的升力增强与阻力降低机制也已通过数值模拟和实验研究得到探讨。De Luca等人（2016）和De Marco等人（2017）研究了滑行船体的水动力性能，Wang等人（2022）则分析了平静水域中高速滑行双体船的阻力特性，而Wang等人（2012）则研究了规则波中高速滑行船只的水动力行为。Benassai（2010）和Katayama（2004）进一步研究了尾流冲击波的产生以及“海豚跳”不稳定现象。总体而言，这些研究都凸显出船体几何形状、浸没动力学与自由表面效应之间的密切关联，而在水翼辅助的多体船结构中，这种关联更为复杂。

Budiyanto等人（2021）和Rayhan等人（2023）的实验与数值研究表明，在设计弗劳德数条件下，单个水翼的安装可降低10–30%的阻力。Zhao等人（2018）和Lee等人（2017）则表明，通常由前部T形水翼和尾部平衡控制水翼组成的双水翼配置，能够更好地控制船体的平衡状态、上下颠簸及纵摇。Qi等人（2024）和Jiang等人（2022）的最新研究进一步强调了非线性自由表面现象的重要性，包括不对称入水现象以及三体船跨甲板撞击现象。尽管取得了这些进展，但在非稳态波浪条件下，水翼几何参数——尤其是展弦比与支撑杆长度——对三体船性能的综合影响仍缺乏足够的量化分析。

Wadlin等人（1950）以及Carter和Butler（1953）指出，水翼展弦比决定了水翼的纵横比、升力曲线斜率、尖端涡旋强度以及通风倾向。同样，Harwood等人（2018）和Young等人（2020）也表明，支撑杆长度会影响水翼的浸没深度、与自由表面的相互作用以及水翼根部的弯矩。Bal（2023）的研究显示，增加水翼跨度可以提高升阻比，而增加支撑杆长度则可能根据弗劳德数的不同，要么减轻通风现象，要么引发腔体振荡（Lagopoulos等人，2023；Byrne等人，2019）。虽然也有研究探讨了滑行船体背后的飞溅与尾流现象（Ghadimi等人，2025；Cui等人，2021），但将其融入水翼辅助的多体船设计中的工作仍然十分有限。

过去十年间，包括Gong等人（2020）和Yang等人（2025）在内的多项关于多体船结构的CFD与实验研究，都证明了支腿间距、纵向位置以及侧船体对称性对船舶运动和水动力载荷的重要影响。然而，针对水翼辅助型三体船的研究仍然不足。He等人（2026）通过对三体船侧船体布局的多目标优化算法进行比较研究，进一步强调了需要建立兼顾水动力性能与运动响应的综合性设计框架。最近，Pirgheybi和Ghadimi（2026a）研究了规则迎浪条件下水翼配置及攻角对三体船阻力和运动控制的非线性影响。他们的后续研究还探讨了倾斜海况下水翼轮廓对耐波性能的影响（Pirgheybi等人，2026），以及通过正交数组抽样方法研究纵横比与不对称支撑杆角度配置的综合效应（Pirgheybi和Ghadimi，2026b），这些都凸显出船体附属结构与船体之间相互作用的复杂性，以及开展更全面参数研究的必要性。

传统的船舶工程参数研究通常是一次只改变一个因素，这就导致了实验矩阵规模过大。现代实验设计方法，尤其是Stocki（2005）提出的最优拉丁超立方抽样技术，能够在保持统计最优性和空间填充特性的同时，高效地开展高维探索。Zhang等人（2018）和He等人（2011）已成功将OLHS技术应用于船体形状及多体船优化中，而Mohsin等人（2026）则结合其他数值方法，研究了滑行船体水动力学中的自由表面流动与飞溅现象。不过，要确定并排序多个相互作用的几何与运行参数的相对重要性，仍然需要开展全局敏感性分析。

Cropp和Braddock（2002）以及Saltelli等人（2004）对Morris基本效应法进行了改进，该方法为在非线性模型中确定参数重要性提供了一种计算效率较高的手段。Campolongo等人（2007）在流固相互作用研究、Nikbay和Kuru（2013）在旋翼机气动弹性优化研究以及Pires da Silva等人（2023）在海洋水动力学研究中也证明了该方法的有效性。然而，此前尚未有研究将Morris筛选法应用于水翼辅助型三体船的水动力学分析中。

通过文献梳理，可发现存在三个主要的研究空白。首先，水翼展弦比与支撑杆长度对三体船升力、阻力及耐波性的耦合效应目前仍不甚清楚。其次，大多数现有研究缺乏结合全局敏感性分析的完整实验设计框架，无法系统地量化多变量之间的相互作用。第三，目前对水翼性能的研究大多在平静水域中进行，而对于这些系统实际工作所处的波浪诱导的非稳态载荷条件，相关研究较少。

为弥补这些不足，本研究构建并验证了一种高精度的水翼辅助型三体船CFD模型。首先介绍了控制方程、计算域、求解器设置以及网格独立性分析，随后通过现有实验数据对模型进行了验证。之后，运用最优拉丁超立方抽样技术和Morris敏感性分析，评估了主要几何参数对总阻力、上下颠簸与纵摇幅度、翘尾高度、升阻比、垂直加速度、动压、压力分布、波浪形态、流场速度、自由表面流动以及波浪切面形态等参数的影响。这些研究结果为理解分布式水翼系统的耦合水动力机制提供了新的理论见解，同时也为高速水翼辅助型三体船的设计提供了实用指导。

章节节选

控制方程
在雷诺平均纳维-斯托克斯方程模拟中，时间平均的质量守恒方程和动量守恒方程用于描述平均流动，同时需要借助湍流模型来处理雷诺应力（Launder和Spalding，1983）。对于不可压缩牛顿流体混合物，质量守恒方程为：
?·u=0
其中u=(u,v,w)为速度矢量。动量方程则为：
ρ?u?t+ρ(u·?)u=??p+?·[μm(?u+??u)]+ρg+Fσ
其中ρ、p、μm、g和Fσ分别表示流体混合物密度、静压、有效动力粘度、重力加速度以及外力项。

几何参数定义
本研究中的核心船体基于澳大利亚海事工程合作研究中心（AMECRC）三体船系列中所开发的Model 09船体。该船体为圆底高速排水型结构，长宽比为L/B=8.0，宽深比为B/T=4.0，块系数为CB=0.396。在本数值研究中，该模型被缩放至总长度为1.596米。两个相同的支腿船体则被统一缩放至其原始尺寸的45.9%。

数值建模
数值模拟采用STAR-CCM+（v2302）软件，通过求解不可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯方程来进行。自由表面则采用体积流体法进行模拟。考虑到本研究的任务需求及计算限制，从STAR-CCM+中可选的湍流模型中，选择了标准k–ε模型并结合标准壁面函数。

本研究的主要目标是全面评估该三体船的整体水动力性能。

网格生成与验证
将动态流体体相互作用求解器与RANS方程相结合，用于预测三体船在波浪作用下的上下颠簸和纵摇运动。为无需重新生成网格即可模拟船体运动，采用了过嵌网格技术，即使用固定的背景网格，再在船体和水翼周围设置移动的过嵌区域。

计算网格由经过处理的多面体单元组成，在船体、水翼及自由表面附近进行了局部细化处理。共设置了十层棱柱形网格单元，以提升这些区域的计算精度。

验证
为评估CFD模型的预测能力，将数值计算结果与在澳大利亚海事学院（AMC）进行的拖曳水池实验所得的实验数据进行了对比验证。作为基准数据集，Hebblewhite等人（2007）最初发布了该数据集，其中包含了三体船在规则迎浪条件下运动响应的测量数据。实验在恒定弗劳德数为0.3的条件下进行，波浪高度为0.04米，共有六个波浪周期。

实验设计与敏感性分析
对于涉及多个设计变量的高精度CFD分析，传统的全因子设计会导致极大的计算量。对于本研究中的五个参数，全因子设计需要开展72次模拟（3×2×2×2×3）。因此，采用了最优拉丁超立方抽样技术，以大幅减少模拟次数，高效地探索设计空间。与随机抽样相比，OLHS技术能够实现近乎均匀的参数分布。

结果与讨论
对于每一个响应参数，首先应用Morris基本效应法对输入参数的敏感度进行排序。然后，通过在25个OLHS设计点上分别计算各参数水平下的响应值并取平均值，从而得到主效应，这样既能分离出各个单独参数的影响，又能最大程度降低参数间的交互效应。同时，还分析了主要水动力参数之间的两两相关性，以识别其中的显著关系。此外，还使用了快速傅里叶变换等方法进一步分析数据。

结论
本研究对集成在水翼辅助型三体船船体中的分布式水翼系统进行了全面的水动力分析，重点研究了规则迎浪条件下水翼跨度与支撑杆长度的耦合效应。通过结合STAR-CCM+ CFD框架与最优拉丁超立方抽样策略，系统地分析了运行条件和水翼几何形状对阻力、耐波性以及水动力效率的影响。该数值模型已经过验证。

局限性与未来工作
尽管本研究采用了较为完善的数值分析框架，但仍存在一些局限性。该CFD模型是基于无水翼三体船的现有实验数据进行验证的，由于缺乏水翼辅助型配置的实验数据，因此无法直接验证带水翼时的性能表现。所以，所预测的性能提升仅可作为高精度的数值预测结果，未来还需要通过实验加以验证。

资金来源与利益冲突声明
作者声明未获得任何公共或私营机构的资助，也不存在任何利益冲突或竞争性利益关系。

作者贡献说明
Maryam Khosravi Pirgheybi：概念提出、数据整理、定量分析、方法设计、软件应用、模型验证、结果可视化、初稿撰写。Parviz Ghadimi：概念提出、研究实施、方法设计、项目管理、监督指导、结果可视化、论文修订与编辑。Mohammad H. Moradi：概念提出、定量分析、方法设计、资源协调、软件应用、模型验证、结果可视化、初稿撰写。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Maryam Khosravi Pirgheybi | Parviz Ghadimi | Mohammad H. Moradi