复合运动状态下圆盘形自主水下航行器的水动力特性

《Ocean Engineering》：Hydrodynamic characteristics of a disk-shaped autonomous underwater vehicle in compound motions

　　

•纯垂直运动下圆盘形载具的等效垂直水动力系数已量化 (CZ = 0.262–0.295)，并表明轴对称射流结构不会产生明显的寄生俯仰力矩。
•反桨驱动翻转运动中的俯仰轴水动力力矩表现出对角速度的明确函数依赖性，为姿态动力学建模提供了基础。
•识别并表征了复合机动中水平与垂直推进系统之间的双向耦合：垂直推力增加会抑制水平稳态速度，反之亦然。
•复合运动中的最终稳态速度被证明与推进器启动顺序（同步或异步）无关，将瞬态策略与平衡性能解耦。

引言
随着深海资源勘探、长期海洋环境监测和水下作业需求的持续增长，水下载具已逐渐从单一功能设备演变为多任务 (Zhou 等，2023a)、多工况 (Xu 和 Guedes Soares，2026) 及高机动性平台。在实际应用中，这些载具不仅要执行稳定的水平导航 (Zhang 等，2026)，还要适应启动、加速、转向、垂直运动和姿态变化等各种典型工况 (Shariati 和 Mousavizadegan，2017)，其整体运行性能在很大程度上受水动力特性的制约。因此，研究水下载具在典型工况下的水动力响应规律始终是航海建筑与海洋工程领域的基本问题 (Zhang 等，2016)。

历史上，传统水下载具主要采用细长旋转体构型，其水动力学研究框架相对成熟。此类构型在中高速直线航行条件下具有低阻力和高推进效率等优势 (Braginsky 等，2020)。然而，随着水下作业任务向低速精确机动、定点悬停和多方向移动能力发展，细长体载具在姿态灵活性和适应多种工况方面的局限性日益凸显 (Martelli 等，2025)。在此背景下，突破传统旋转体构型的局限性 (Ding 等，2024) 并开发新型高机动性水下载具已成为研究热点 (Zhou 等，2023b)。其中，水下圆盘形载具凭借其轴对称几何形状和分布式多推进器配置，在悬停 (Chen 等，2020) (Petillot 等，2019)、垂直运动 (Salumae 等，2019) (Pelegrí 等，2024) 和小半径转向 (Cai 等，2022) 方面具有潜在的工程优势。然而，其非流线型艇体与推进系统之间的强耦合导致了复杂的水动力特性 (Tian 等，2024)，相关工程数据和建模方法仍较为匮乏 (Liu，2018) (Jiang 等，2019)。

针对这些问题 (Chen 和 Lu，2019)，学者们进行了探索性研究 (Chen，2019) (Chen 等，2025) (Wen 等，2022)。在水动力性能分析方面，几项研究采用了计算流体力学 (CFD) 方法 (Mansoorzadeh 和 Javanmard，2014) 对圆盘形载具的水动力特性进行了数值研究 (Mitra 等，2020)。Chen (Chen 等，2017) 等人以圆盘形自主水下航行器为研究对象，采用 CFD 方法研究其运动稳定性 (Lin 等，2021) (An 等，2021)。他们的发现表明，圆盘形构型在低速条件下具有良好的姿态调整潜力，但流动分离特性相对复杂。Lin (Lin 等，2022) 等人系统地分析了圆盘形自主水下直升机 (AUH) 在各种工况下的水动力响应，其结果为圆盘形构型的工程设计提供了定量参考。Guo (Guo 等，2022) 等人关注圆盘形 AUV 在近海床处的水动力特性，通过数值模拟分析了流场和力特性 (Guo 等，2024)，并得出结论认为，近底条件下圆盘形构型的水动力变化规律与细长体载具显著不同。Guo (Guo 等，2023) 等人进一步研究了圆盘形 AUV 在近自由面处的水动力响应 (Luo 等，2022)，通过非定常数值模拟揭示了水动力力的时间波动特性。在非定常机动方面，Zhou (Zhou 等，2022) 等人利用非定常数值模拟方法研究了圆盘形水下滑翔机的原地转向机动 (Panda 等，2021)，分析了转向过程中的流场和力矩变化，并揭示了非对称涡结构对控制力矩的主导作用。最后，在工程应用层面，Wang (Wang 等，2019) 等人通过样机开发和实验验证，系统评估了高机动性 AUH 的水动力性能，证实了圆盘形构型和多螺旋桨布局在实际工程应用中的可行性 (Li 等，2023)。

上述研究均采用了成熟的基于 RANS 的 CFD 工具作为数值方法，其学术贡献主要体现在应用层面的扩展和特定物理现象的揭示。然而，现有研究大多集中在稳态直线航行、单一运动模式和边界效应上，而对多螺旋桨同时工作时的瞬态启动过程、姿态翻转机动以及水平 - 垂直复合运动期间耦合水动力响应的系统研究仍显不足。此外，适合工程分析的高效螺旋桨建模方法和水动力参数体系仍然缺乏 (Ye 等，2025)。

为此，本文以下水圆盘形载具为研究对象，采用计算流体力学 (CFD) 方法建立三维不可压缩湍流数值模型，引入螺旋桨体力虚拟圆盘法实现推进系统的等效建模，并通过速度系数校正提高其在强受限导管条件下的适用性。在此基础上，研究系统模拟了载具在垂直运动、姿态翻转及水平 - 垂直复合运动等典型工况下的流场演化及水动力响应特性。提取关键水动力系数以表征不同运动模式和耦合工况下的水动力行为及其变化。相关研究成果为本圆盘形载具构型的动力学建模、机动性评估及推进系统布局优化提供了理论依据和数据支持。

部分片段
数值模拟方法
(1) 方程与湍流模型
本研究调查了水下圆盘形载具的运动和水动力特性，重点关注载具周围流场的速度和压力分布以及由此产生的水动力响应。在典型工作范围内，可忽略流体密度和温度变化对流的影响；因此，采用不可压缩粘性流体的纳维 - 斯托克斯 (Wu，2022) 方程作为控制方程。

网格无关性验证
为确保水下圆盘形载具周围流场数值模拟结果的可靠性，并避免结果依赖于网格尺度，对三维计算域进行了系统的网格无关性验证。网格划分和验证过程严格遵循所选的标准 k-ε 湍流模型，重点关注载具近壁区域的网格质量以及无量纲壁面距离 (y+) 的控制。

垂直运动的水动力分析
为了研究圆盘形载具的垂直运动特性，统一界定并描述了垂直推进系统的虚拟圆盘参数和垂直运动的计算条件。在垂直运动分析中，载具仅允许沿垂直方向平移；不考虑姿态变化及水平运动的自由度。计算中未引入水平来流，初始流场

复合运动条件定义与推进系统协调
基于前面对水平和垂直运动水动力特性的分析，本节介绍了一种水平和垂直推进系统同时工作的复合运动场景。该场景代表了一种典型的多推进系统协调问题，能够进一步研究更接近实际工况下圆盘形载具的水动力响应特性。

在本章中，

结论
本文解决了圆盘形载具因非流线型外形和多推进器强耦合导致的复杂水动力学和建模困难问题。基于 CFD 方法，研究系统模拟了水下圆盘形载具在水平、垂直及复合运动等典型工况下的水动力响应过程。螺旋桨诱导流与载具流场之间的耦合机制

CRediT 作者贡献声明
You Wu：写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，软件，数据整理。Yang Yang：写作 - 初稿，数据整理。Sen Zhao：方法论，概念化。Jie Wang：方法论，概念化。Chao Wang：写作 - 初稿，可视化。Yi Bao：数据整理，软件。Zhongliang Xie：方法论。Xiaopeng Chen：方法论。Peng Du：监督，方法论。

数据可用性
数据可根据请求提供。

利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢
本研究由中国国家自然科学基金 (编号：52471344)、汉江国家实验室联合培养基金项目 (编号：HJLJ20240304) 以及陕西省秦创原“科学家 + 工程师”团队建设计划项目 (2025QCY-KXJ-021) 资助。本工作还得到了国家重点研发计划的支持。

You Wu|Yang Yang|Sen Zhao|Jie Wang|Chao Wang|Yi Bao|Zhongliang Xie|Xiaopeng Chen|Peng Du