【摘 要】
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水下航行器在执行任务时会遭受流体阻力,引起续航能力以及运行效率的降低。因此,减小其表面流体阻力是提高航行速度、降低能耗的有效途径。受自然界生物启发,仿生表面可以有效改善湍流边界层结构,降低水下航行器船体阻力。本文研究仿河鲀体刺覆盖突起结构（biomimetic spine-covered protrusions structure,BSCPs）高度、位置以及排布因素对三种不同尾部角度（θ=0°、θ
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水下航行器在执行任务时会遭受流体阻力,引起续航能力以及运行效率的降低。因此,减小其表面流体阻力是提高航行速度、降低能耗的有效途径。受自然界生物启发,仿生表面可以有效改善湍流边界层结构,降低水下航行器船体阻力。本文研究仿河鲀体刺覆盖突起结构（biomimetic spine-covered protrusions structure,BSCPs）高度、位置以及排布因素对三种不同尾部角度（θ=0°、θ=15°/17°/19°、θ=21°）水下航行器阻力影响,具体研究内容如下:（1）首先探究四种不同高度（0.3、0.4、0.5和0.6mm）的BSCPs对钝体水下航行器（θ=0°）减阻效果的影响。在速度U=1.5m/s、2.57m/s和3.05m/s时,通过数值模拟研究水下航行器基底压力和近尾迹流动。将水洞试验模型尾迹再循环区域流动和边界层厚度对比,验证SST k-ω湍流模型准确性。阻力结果表明:在BSCPs高度为0.3mm时,最大阻力减少10.6%。通过压力场、速度场研究,确定钝体水下航行器周围流场结构特性。结合法向平均速度、平均动量以及尾迹动力学分析了BSCPs对钝体水下航行器产生减阻效果的原因。BSCPs引起基部阻力的降低,同时将高压侧壁与低压尾迹区连接,最终导致压差阻力的减少,同时有效的减少了粘性阻力。（2）基于最优减阻高度,通过数值模拟主要分析位置因素对椭圆体水下航行器（θ=15°/17°/19°）表面减阻效果的影响。正交试验结果表明:当高度h=0.3mm、尾部角度θ=17°、间距S=200.31mm、速度U=3.05m/s时,减阻率最大值为6.87%,因素对减阻率影响的主次顺序排名为θ＞h＞S＞U,最优水平组合为θ2h1S3U1。通过速度场、压力场、表面轴向压力系数和壁面摩擦系数分析椭圆体水下航行器整体流场特性。利用法向涡量及法向平均速度研究水下航行器法向流动特性,并揭示其减阻机理。BSCPs船体增大的底部压强使得水下航行器底部阻力降低。BSCPs表面较小速度梯度导致粘性阻力的降低。（3）基于最优减阻位置,探究两种不同排布因素（平行排布和交错排布）BSCPs对锥体水下航行器（θ=21°）阻力的影响。通过CFD-RANS方法模拟速度U=3.05m/s船体上的流动。将阻力值、压力系数和壁面摩擦系数与实验和仿真结果进行对比,证明了数值模拟结果的可靠性。仿真结果显示:交错排布具有最佳的减阻性能,BSCPs高度为0.3mm时,最大阻力降低了9.47%。从速度、压力以及尾迹发展角度分析了锥体水下航行器周围流场结构。通过近壁区流动、法向平均速度剖面、边界层速度剖面以及法向涡量解释了锥体水下航行器减阻原因。BSCPs附近的逆向涡阻止了低速流体的上抛,阻碍了高速流体对壁面的下扫,最终导致粘性阻力的降低。最后,本文研究结果确定了BSCPs三种因素对水下航行器减阻的有效性,为后续实际应用提供参考。
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