基于实验研究的通过集成坞室支持船回收水下运载器的水动力分析，第一部分：波浪敏感性分析

《Ocean Engineering》：Hydrodynamic analysis for underwater vehicle recovery through dock integrated supporting vessel based on experimental investigation, part I: Wave sensitivity analysis

　　

• 通过模型试验研究了集成坞舱支持船（DISV）的全局响应及内部坞舱流场特性。
• 识别出由多种因素共同作用产生的一种新的耗散共振现象。
• 发现内部坞舱波场中存在一种名为"频率梳"的有趣现象。

引言

随着海洋资源勘探与利用的不断深入，海洋科考船正朝着更大尺寸和更强能力的方向发展。为执行更为复杂和深远海的科学任务，水下运载器已从早期的海底布设电缆模块等小型装置，演变为现代大型自主水下航行器（AUV）。在多种海况下安全高效地回收水下运载器已成为一项关键技术挑战。

拖曳艉部回收是目前水下运载器回收最常用的方法之一，尤其适用于小型支援船的作业场景。图1展示了一种典型的拖曳艉部回收配置，其中水下运载器由支援船的艉部区域引导并完成回收。此类回收作业通常依赖专用的母船或支援平台，且在实际海况下对环境扰动高度敏感。因此，已有大量研究工作致力于提升水下运载器回收过程的可靠性、安全性和操作便捷性。Wang等（2024）分析了用于AUV回收的海洋拖曳笼的运动特性，揭示了传统拖曳笼在拖曳过程中易出现纵摇、艉倾及不稳定的问题。Zhou等（2023）提出了一种遗传算法，用于在海流扰动条件下提高AUV回收作业的效率。Buckham等（2003）和Lambert等（2003）开发了拖曳水下运载器系统的三维动力学模型，并运用该模型优化转向机动。Kim等（2023）研究了一种新型拖曳水下平台的控制方法，该平台可实现静止及低速运行。所提出的系统展现出更高的定位精度，并可实现光学摄像头和前视声呐等任务专用设备的精准布放。然而，随着水下运载器尺寸和复杂度的不断增加，拖曳式和起重机辅助回收方法均面临显著局限。本研究提出了一种新型船体构型——集成坞舱支持船（Dock-Integrated Supporting Vessel，DISV）。该船体在艉部设有部分淹没的坞舱，坞舱前端配备一道闸门，在船舶航行模式下用于阻挡波浪进入，而在发射和回收模式下开启以清除水道，为水下运载器提供通行通道。本研究将该船体命名为集成坞舱支持船（DISV），作为母船承担大型水下运载器的发射与回收任务。

DISV通过淹没式内部坞舱完成的整套回收作业可分为三个连续阶段，即等待阶段、开放回收阶段和登船回收阶段。在第一阶段（等待阶段），水下运载器位于等待线外部，并与DISV保持恒定间距。运载器需要持续进行机动操作，以确保其中心线与DISV的中心线重合，从而使运载器在进入坞舱时拥有最大的安全空间，避免与坞舱发生碰撞。在此阶段，运载器与DISV保持相同航速，两者之间的水动力相互作用在三个阶段中最弱。一旦接收到最终回收信号，水下运载器开始加速接近DISV，从而触发第二阶段。在开放回收阶段（Open Recovery Phase），运载器首先加速至一定速度，随后以恒定速度向母船驶去。随着两体之间距离缩短，来自母船的水动力效应逐渐增强，尤其是当运载器进入DISV的尾流区域时。在此阶段，水下运载器不存在与坞舱壁发生碰撞的风险。当运载器艏部进入DISV艉部时，进入第三阶段——登船回收阶段（Boarding Recovery Phase）。回收作业的成功与否主要取决于该阶段中运载器与DISV的运动响应。随着更多水下运载器部件进入DISV内部，两体之间发生碰撞的潜在风险逐渐升高。当DISV在波浪作用下发生振荡时，DISV的运动周期性地改变坞舱内部流体的质量，反过来，内部坞舱又改变了DISV的运动特性。在此阶段，强水动力相互作用显著发生。当运载器艉部完全进入DISV艉部区域时，整个回收作业过程结束。通过合理设计内部坞舱结构，该结构改变了流场域，降低了发射和回收作业过程中DISV和水下运载器的运动幅度。图2展示了水下回收过程中的三个阶段。

DISV的概念并非全新，但关于水下运载器回收水动力响应的公开研究文献十分有限。Hopman等（1994）似乎是首位提出在两栖运输船上集成湿淹坞舱构想的学者，研究发现坞舱内部的波浪高度总体小于外部，表明其具有良好的运载器回收能力。Bass等（2004）发现，船舶的航行速度有助于降低内部坞舱中的波高。Cartwright等（2007）利用CFD模拟研究了内部坞舱流场域，并基于有限的模拟数据指出船舶运动主导了坞舱内部的波浪行为。Wang等（2023）发现，由于入射波和出射波波峰的叠加效应，坞舱内某些位置的波高高于入射波高。然而，目前尚缺乏对DISV运动响应和内部坞舱流场特性的系统研究，也未发现坞舱内波浪运动的内在物理机制以及内部坞舱与DISV全局运动之间的关系。

船舶和海洋工程领域中，受限或半受限水域的波浪共振现象已受到广泛关注。在并排船体配置或窄间隙结构中，当入射波与反射边界相互作用时，可能发生间隙共振，导致在特定频率下自由面振荡放大。类似的机制也存在于月池和井式坞结构中，其中入射波、反射波与船体运动之间的相互作用决定了内部流体响应。Liu等（2017）、Liu等（2025a）、Liu等（2025b）研究了驳船式浮体内部月池的间隙共振行为，证明侧壁反射显著改变了内部流场的共振特性，尤其在陷模频率附近。Tang等（2025）进一步考察了月池自由面振荡与船体垂荡运动之间的耦合效应，表明凸缘剖面可有效抑制第二峰频处的波浪共振。波浪共振和半困波系统已在海洋、海上及沿海水动力学领域得到广泛研究。在并排船舶配置和月池型结构中，入射波、反射波与受限流场域之间的相互作用可能产生强烈的共振响应和高阶谐波成分。Molin（2002）研究了月池系统中的活塞模和晃荡模，展示了半受限自由面振荡在共振行为中的重要作用。Sun等（2010）将该理论公式进一步推广至开放式月池配置，表明开放边界条件显著影响内部流场响应和共振特性。Zhao等（2017）通过实验和数值方法分析了窄间隙水动力系统中的高阶谐波波浪响应，报告了在规则波条件下多个谐波成分的显著非线性激发。与浮动坞和内部港池类结构相关的水动力问题也由Malta和Fernandes（2014）进行了研究。除半困波系统外，由水深变化引起的浅水增波、波浪衰减和能量再分配也在沿海和港口工程中得到了广泛研究。浅水变形、波浪反射和半受限流场域的综合效应可能显著改变波浪传播特性和非线性波浪响应。与以往研究相比，本研究聚焦于集成坞舱支持船构型中船舶航行速度、全局船舶运动、坞舱几何形状变化、浅水增波效应以及半开放艉部边界之间的耦合效应。这些耦合机制在内部坞舱内产生了与耗散共振和高阶频率再分配相关的独特水动力特性。

现有的间隙共振和月池水动力学研究主要关注共振放大效应及其通过几何优化或附加阻尼的抑制方法。相比之下，本研究考察的艉部通道构型展现出根本不同的水动力行为。浅水深度、有限通道长度、波浪反射和船舶自由运动的综合作用并非在主共振频率处放大波浪响应，而是将入射波能量重新分配到多个离散频率成分中。该响应机制从根本上区别于传统的间隙共振或月池共振，代表了一种与能量耗散和频率再分配相关的独特波-结构相互作用形式。

以往关于半困波系统和内部坞舱水动力学的研究主要聚焦于若干孤立的物理机制。如表1所示，早期研究主要考察了固定或浮动结构中的月池共振和活塞模振荡（Molin, 2002; Sun等, 2010; Faltinsen等, 2007）。后续研究进一步分析了半受限流场域中的非线性波浪放大、高阶谐波生成和粘性阻尼效应（Zhao等, 2017; Ding等, 2022; Liu等, 2025b）。对于开放式内部流体系统，部分研究者考察了波浪方位、间隙共振和航速效应对波浪放大及内部流场特性的影响（Fredriksen等, 2014; Bass等, 2004; Wang等, 2023）。与此同时，沿海和港口工程领域的研究考察了不同底形地形和半封闭港池中波浪增深、能量耗散和共振现象（Gayathri等, 2022; Khan等, 2024; Swami等, 2025）。此外，部分研究还考虑了带有内部空腔或类月池构型的浮动坞式结构的水动力响应（Malta和Fernandes, 2014; Cartwright等, 2007; Hopman等, 1994）。尽管已取得显著进展，但大多数现有研究仅考虑了单一或少数几个独立因素，如固定体共振、恒深内部空腔、航速效应或简化几何形状上的浅水增波。在统一的DISV构型中，同时考虑航速、全局船舶运动、坞舱深度变化、坞舱宽度变化以及半开放内部波浪共振的耦合效应的研究极为有限。因此，本研究聚焦于航速条件下带有变深内部坞舱的DISV的耦合水动力行为和波浪敏感性特征。

本研究开展了一系列大规模模型试验，以研究坞舱内部流场的特性、DISV的运动响应特征，以及三个回收阶段中水下运载器的运动差异，其实际目标在于评估不同场景下回收作业的成功率。作为该系列广泛研究的第一部分，本文旨在重点阐述DISV的运动响应和内部坞舱流场特性，并揭示内部坞舱与DISV之间关系的物理机制。后续将有一系列相关研究成果陆续发表。需要指出的是，所有测量数据均在实验的稳态阶段采集，此时DISV保持接近恒定的航速和航向。尽管由于模型自由航行的特性，航速和航向存在小幅波动，但数据分析假设主要为顶海况条件。微小斜向或偏离中心线扰动的潜在影响已被注意到，但预计对观测到的全局运动响应和内部坞舱波浪特性影响可忽略不计。

实验装置与准备

所有实验均在上海交通大学的多功能拖曳水池中进行。该水池长300米、宽16米、水深7.5米，配备最大速度为10米/秒的拖曳车。该设施配有24个波浪拍板，由可编程造波系统控制，能够产生规则波和不规则波。

在水槽背面安装了波浪消能坡道，用于吸收产生的波浪。

实验结果与分析

在本研究中，"波浪灵敏度分析"一词指的是水动力响应对不同入射波浪条件的灵敏度，尤其是入射波长和频率的灵敏度，而非与实验不确定度传播相关的灵敏度。进行了一项初步的波浪标定试验，以确保造波机能够准确生成目标波浪剖面。波浪探针安装在拖曳小车周围，因为拖曳小车处于非常近的位置。

耗散共振

多个离散且等间距的峰值频率的出现类似于光学中广泛存在的"频率梳"现象（Udem等，2002；Ye等，2003）。对应的峰值频率可表示为：ωn = ωo + nωr，其中ωn、ωo和ωr分别代表峰值频率、偏移频率和梳齿间隔频率。n为整数，表示第n阶峰值响应。频率梳现象的出现是由于多种非线性效应的共同作用以及……（原文未完）

不确定度分析

本实验中的不确定度评估遵循国际拖曳水池会议推荐的程序（ITTC，2021）。考虑到本研究主要关注坞式集成支撑船（DISV）的波浪灵敏度和整体响应特性，此处仅总结影响所测波浪高程和运动响应的主要不确定度来源。本调查确定了五个主要不确定度来源，包括设施干扰、模型几何形状和惯性特性等……（原文未完）

讨论与结论

进行了大规模模型试验和数值模拟，以研究通过新设计的坞式集成支撑船回收水下车辆。作为该系列工作的第一部分，本文基于模型试验结果展示了坞式集成支撑船整体运动和内部坞内流体域的水动力响应。DISV回收中最关键的构型是位于母船尾部的内部充水坞。随着水下……（原文未完）

符号说明

拉丁符号
Ah：垂荡振幅
Am：实测波浪振幅
Ap：纵摇振幅（弧度）
At：目标波浪振幅
B：船宽
Bb：后部船宽
Bf：前部船宽
D：吃水
Da：尾部吃水
Df：前部吃水
Dmax：最大垂直位移
He：归一化波浪高程
L：船长
Ld：坞长
Ll：长探针间距
Ls：短探针间距
rxx：横摇回转半径
ryy：纵摇回转半径
xGC：重心纵向坐标
xi：探针纵向坐标
Δx：距重心纵向距离

希腊符号
η(t)：波浪高程时程
η0：波浪高程

作者贡献声明
冯爱春：写作——审阅与编辑，验证，监督。

利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性财务利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

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