近年来,随着地球资源的持续消耗、生态恶化、能源危机加剧,世界各国越发意识到海底能源勘测的重要性。微小型无人水下航行器作为一种智能化的水下无人装备,在海洋资源勘测、水文调查、海底管道铺建等方面发挥着巨大的作用。但目前国内外对于码头,桥墩,水库大坝、船舶等,在狭窄、水质有污染、有一定危险的浅水环境中管道及电缆的铺建及经常性的检测仍然需要潜水员来完成。究其原因,水下航行器在复杂水域工作时极易受到不规则海底暗流的影响,不能有效地控制自身的航行状态、作业姿势。其水动力学性能上研究的匮乏是限制其发展的重要因素。因此,作者在介绍了国内外各类水下航行器和ROV水动力性能的研究进程后,从实际工况出发,设计了一款微小型低速水下循迹航行器,并对其在复杂流场中进行流体动力学数值仿真和试验研究,探索影响其水动力学特性的关键因子。首先,本文根据设计任务书要求,确定了水下循迹航行器的结构形状和尺寸参数,在CREO中建立三维模型,完成初步设计。并根据水下航行器的实际工况建立流体动力学控制方程,选取相应的湍流模型、数值离散方法、数值计算方法和物理模型。其次,对推进器在流场中的流体特性进行研究。采用ICEM对所研究流域进行结构化网格划分,确定相应的湍流模型和边界条件,选用后处理软件Fluent对推进器模型进行数值计算。围绕仿真所得压力和速度云图,提出导管上支撑板的设计位置与推进器流场分布的关系;探讨了推进器防护罩栅格数目推进器流场的影响;分析了水下推进器在敞水中的阻力随不同来流速度的变化趋势,对比发现,与参考文献中的变化趋势一致,验证了数值模拟仿真的正确性;研究了螺旋桨的内外压力面所受压力的变化趋势;同时,将水下推进器和航行器主体作为一个整体考虑,对两者之间的非定常干扰展开研究:在来流速度一定的情况下,分析了推进器在航行器主体上的不同安装位置时,两者之间的流体动力干扰的影响;在来流速度一定的情况下,研究了两者之间轴向距离的变化对水下推进器推力系数和航行器主体阻力系数的影响。之后,对水下航行器所带附体的结构布局及水动力学性能展开研究。采用ICEM在研究流域中划分正六面体结构网格,确定相应初始参数和边界条件,选用Fluent对未布置推进器和在三种不同平衡位置布置推进器的四种水下航行器模型进行数值计算。围绕仿真结果,研究了在来流速度一定的情况下,水平攻角和水平舵角的变化分别对四种状态下水下航行器升力系数的影响;分析了在来流速度一定的情况下,水平攻角和水平舵角的变化分别对四种状态下水下航行器俯仰力矩系数的影响;对比四种状态下的流场压力云图和流场速度云图,并总结以上仿真结果,分析得出推进器的最佳安装位置。然后,分别对各子模块展开设计研究。其由动力模块、控制单元、重心调节机构、载体框架、密封舱体和翼片构成。通过理论计算得出推进器在三种不同安装位置时,丝杆滑块的准确位置,完成航行器总体的稳定性设计。最后,设计并制造了水下循迹航行器的试验样机模型,根据实验样机的空间多自由度运动的要求,对其中动力模块和重心调节机构进行了详细的设计,实现在水下作业时的灵活机动。在国家海洋局东海计量中心的数值水池中对循迹水下航行器实验样机进行了水动力性能实验。通过实验结果重点分析,来流速度一定时,随着攻角的变化,微小型水下航行器的升力和阻力的变化趋势。与数值计算所得出的结论相对比,说明了数值计算方法的正确性。综上所述:采用计算机模拟仿真和样机试验相结合的方法对微小型低速水下循迹航行器在不同结构设计和运动状态下的水动力性能分析,是切实可行的。本文的研究为低速水下循迹航行器的设计开发提供了参考,为后续高机动低速水下航行器的优化设计提供了一个全新的思路。