包括水下机器人和水面机器人在内的海洋机器人是人类认识海洋、开发海洋、保护海洋的重要手段之一。近十多年来，在技术推动和需求牵引共同作用下，海洋机器人迎来了蓬勃发展的机会，并有可能在海洋石油等商业应用、扫雷反潜等海洋军事应用以及海洋科学研究中改变现有作业模式，成为“游戏规则改变者”。但现实情况却是，海洋机器人的综合使用性能并不能总是满足应用需求，这固然受到水下通信、导航、能源等单项技术的限制，但很大程度上也受制于海洋机器人总体设计的技术水平。　　 水动力性能计算、分析，以及水动力设计无疑是海洋机器人总体设计中的重要环节。相对于总体设计内容中的外形设计、结构设计、静力性能计算、结构强度与刚度计算等内容，水动力性能的计算与分析方法并不完善。获取水动力的方法主要有试验方法、半理论半经验公式的计算方法以及基于计算流体动力学技术的数值计算方法。相对于前两种方法，基于计算流体动力学技术的数值计算方法能够低成本、短周期、高精度地得到海洋机器人的水动力值，已经成为阻力、推进、操纵、耐波等性能研究的有效手段。该方法的缺点则是受限于各种因素的制约而存在精度不高的问题，以及旋转导数相关的操纵性运动模拟问题和耐波性能预报中的时域数值造波问题等。　　 本文结合中国科学院沈阳自动化研究所研制长航程水下机器人、4500米级深海资源勘察水下机器人、50公斤级便携式水下机器人、半潜式无人航行器、混合型海洋机器人等项目的实际需求，以及6000米水下机器人实用化改造的需要，开展基于计算流体动力学技术的海洋机器人水动力数值计算方法及其应用研究，解决水动力数值计算的上述相关问题，快速准确获取各类海洋机器人的水动力数据，包括阻力、操纵性水动力、波浪力等，为海洋机器人总体设计优化、运动建模与预报、控制算法研究和仿真等提供支撑和依据。主要研究内容如下:　　 (1)计算流体动力学参数对阻力计算精度的影响分析。在简要说明基于计算流体动力学(CFD)技术计算海洋机器人水动力的基本原理、基本流程和计算精度验证方法的基础上，主要讨论了流域参数和网格参数对阻力计算结果的影响。基于堵塞效应给出了流域设置的最小尺寸建议值;基于边界层理论和仿真试验给出了边界层网格参数、面网格参数和体网格参数的指导性计算公式，并采用国际公认的SUBOFF标准潜艇模型对指导公式进行了验证。流域参数和网格参数的量化准则的明确提出，避免了CFD计算中参数设置的盲目性，保证了计算结果的一致性，为论文后续水动力的高精度计算提供了基本依据。　　 (2)采用相对运动变换思想，在流域相对静止(即“水动物不动”）条件下研究了海洋机器人粘性类水动力的数值计算问题，尤其是旋转运动相关的水动力。分别提出了旋转坐标系法、附加动量源法和旋转动量源法共三种方法用于模拟旋臂水池试验以获取海洋机器人水动力，避免了直接运动模拟（即“物动水不动”）带来的计算资源消耗大、计算时间长、收敛性不好等问题。三种计算方法获得的计算结果分别与6000米水下机器人、长航程水下机器人的模型试验数据和国际公认的SUBOFF标准潜艇模型的试验数据进行了对比分析，验证了计算方法的准确性和高效性。　　 (3)在“水动物不动”的指导思想下，基于粘性类水动力计算中所提出的附加动量源法研究了海洋机器人惯性类水动力，即附加质量的数值计算问题。以圆球体、椭球体为例，通过模拟水池振荡试验，在附加动量源基本理论和框架下，探索了动量源形式、流域形状、湍流模型、入口边界条件、振荡周期、网格尺度等因素对附加质量计算结果的影响，形成了一套粘性流控制方程下的附加质量高精度计算方法。至此，基于本文所提方法，可完整解决海洋机器人全套操纵性水动力系数的快速准确获取问题。　　 (4)根据平面进行波的基本理论，初步探讨了粘性流数值造波和海洋机器人波浪力数值计算问题。基于速度入射和前馈控制思想，推导了数值造波动量源，造波结果与理论波形的对比表明了该方法对波形的较好跟随和对速度场、压力场的准确预报。采用该方法对混合型海洋机器人在4级海浪的典型波浪参数作用下的迎浪运动响应进行了仿真分析。　　 (5)基于前述水动力数值计算方法，结合某混合型海洋机器人和4500米级深海资源勘察水下机器人的设计过程，开展了计算方法的应用研究。首先建立了水动力自动化计算流程，采用CST方法设计了混合型海洋机器人翼身融合体外形，基于粘性类水动力和惯性类水动力计算方法，计算了混合型海洋机器人和4500米级深海资源勘察水下机器人操纵性设计所需的各类操纵性水动力导数，指导了操纵面设计，并预报了含操纵面外形的水动力特性。