随着海洋开发和研究的不断深入,作为海洋领域的特种作业平台,小型水下航行器将承担更多的水下任务。小型水下航行器在执行某些特定任务时,需携带大尺度挂载在海洋环境中进行机动航行,而其在水下长时间工作时,需要被水下空间站或水下搭载平台回收以补充能量和交换数据,在回收过程中将处于水下空间站或搭载平台复杂的扰流场中。在复杂的工作环境中,需要了解小型水下航行器携带特定挂载及其在扰流流场中的水动力性能和操纵性能以有效地控制自身的航行状态和保持自身的作业姿态。本文采用CFD数值方法、试验方法及计算机运动仿真方法研究了小型水下航行器携带和不带大尺度挂载两种情况下的水动力性能及操纵性能,数值计算了其靠近潜艇过程中的水动力干扰特性,主要研究内容如下:一、基于CFD技术,结合多块结构化网格及模块化网格技术,预报了携带和不带大尺度挂载两种情况下的小型水下航行器水动力性能,包括阻力性能、推力性能、艇桨干扰性能、艇翼干扰性能、操纵性水动力性能以及近水面水动力性能,部分水动力性能与试验结果进行了对比验证。二、在循环水槽和综合深水池,对携带和不带大尺度挂载两种情况下的小型水下航行器进行了操纵性试验,包括约束艇模试验和实艇试验。预报和评估了小型水下航行器的水动力性能及操纵性能,同时验证了 CFD数值计算方法和计算机运动仿真方法的适用性和准确性。三、建立了小型水下航行器空间运动数学模型,分析了小型水下航行器所受到的水动力,结合水动力试验及数值计算结果,构建了小型水下航行器运动仿真系统。对携带和不带大尺度挂载两种情况下的小型水下航行器进行了操纵性运动仿真,比较分析了两种情况下小型水下航行器的机动性能,并与试验结果进行了对比验证。同时,根据水动力系数分析了小型水下航行器的运动稳定性。四、采用求解RANS方程方法数值模拟了潜艇周围绕流流场,在此基础上,假定了小型水下航行器若干回收位置。结合不匹配网格划分技术数值模拟了二维和三维小型水下航行器靠近潜艇过程中的水动力干扰性能,分析了不同相对位置下小型水下航行器处于潜艇扰流流场中的水动力特性,使用动网格技术实现了小型水下航行器在给定路径下靠近潜艇过程中扰动水动力性能的数值预报。研究结果表明:小型水下航行器在携带和不带大尺度挂载两种情况下均具有较好的操纵性能;数值计算方法在预报小型水下航行器水动力性能方面具有一定的精度与可行性;计算机运动仿真方法可较准确地预报小型水下航行器操纵性能;数值计算方法较合理地解决了小型水下航行器与潜艇水动力干扰问题。研究结果可为小型水下航行器的运动控制提供理论分析依据,以便制定更有效的控制策略,实现更精确的运动控制。