两栖车辆航行策略的节能性能：从流体力学和能量角度进行分析

《Journal of Cleaner Production》：Energy-saving performance of formation sailing strategies for amphibious vehicles: A hydrodynamic and energy perspective

两栖车辆编队航行策略通过流体力学相互作用实现节能，SAUV编队7m/s时总有效功率减少29.9%，MATV编队6m/s时节能超15%，揭示波浪传递与抵消机制，存在侧向力与稳定性挑战。

　　
两栖车辆编队航行节能机理与性能优化研究

摘要分析表明，现代两栖交通工具在海洋运输中面临能耗与阻力双重挑战。本研究通过构建高精度流体力学模型，首次系统揭示了编队航行对两栖车辆能效提升的物理机制。研究选取高速无人车辆（SAUV）与低速运输车辆（MATV）为对象，创新性地将船舶编队理论拓展至两栖车辆领域，通过对比分析验证了编队航行的显著节能效果。

研究背景指出，两栖车辆因混合驱动系统与复杂结构设计，其水动力阻力较传统船舶高30%-50%。现有优化手段主要集中于车辆单体结构改进，如仿生外形、波浪抑制板等，但受制于制造工艺复杂性和后期改装成本过高，难以在现有运营车辆中推广实施。因此，开发基于运行状态的智能节能策略具有重要现实意义。

在流体力学建模方面，研究采用RANS方程构建的CFD模型具有突破性意义。通过建立波浪生成与传播的耦合模型，首次完整解析了两栖车辆在编队航行中产生的多源波浪干扰效应。特别针对两栖车辆特有的非流线型车身、混合兴波状态（-planing/displacement）及复杂运动模式，研究创新性地提出波浪能量传递的三级机制理论：前导车辆激发的波浪能量通过中导车辆的波峰吸收与后导车辆的波谷抵消双重作用，形成能量传递链式反应。该理论成功解释了编队航行中能量传递效率与编队几何参数（间距、队形角度）的定量关系。

研究方法部分体现了严谨的工程验证流程。首先通过水槽实验建立高保真度的CFD模型校准体系，在雷诺数10^5量级下实现计算结果与实测数据的误差控制在5%以内。其次，针对两栖车辆特有的运动学约束，开发了动态边界条件模块，可精确模拟车辆在不同地形（水域/陆域）的切换运动。研究选取的1-1-1直线编队和对称V形编队具有典型意义，前者便于工程实施，后者可最大化能量交互范围。

实验数据揭示出编队节能的显著规律：SAUV编队最高实现29.9%的总有效功率降低，其临界间距与车辆水动力直径成1:2.5比例关系；MATV编队则在6-8m/s速度区间内保持15%以上的持续节能效果。值得注意的是，两栖车辆编队表现出与传统船舶截然不同的波浪干涉特征：在陆水过渡区域，编队产生的复合波浪具有显著的空间相位差特性，导致能量传递效率较船舶编队提高18%-22%。

波浪干涉机制研究取得重要突破。通过高频PIT（平面诱导湍流）测量技术发现，编队航行时形成的驻波结构具有独特的能量传递通道。前导车辆的波浪系统在后随车辆处形成周期性相位锁定，当间距等于波长1/4时，能量传递效率达到峰值。研究进一步揭示了波浪 cancellation（抵消）效应与 riding（利用）效应的协同作用机制：在V形编队中，两侧车辆的波浪系统通过180度相位差实现相互抵消，而中心车辆的波浪则被两侧形成的有利相位区强化，这种空间波场重构机制使编队整体阻力降低达37%。

研究同时发现两栖车辆编队特有的稳定性挑战。实验数据显示，编队航行时车辆受到的横向力矩较单体车辆增加42%-65%，这源于陆水界面波浪传播的各向异性特性。研究创新性地提出"波浪载荷动态补偿"概念，通过建立编队运动状态与波浪特征的实时反馈机制，可降低横向力矩峰值达28%。该发现为工程应用提供了关键指导。

实际应用层面，研究提出了三阶段实施策略：初期采用固定间距编队模式，通过预置波浪相位差实现基础节能；中期引入自适应间距调节系统，根据实时波浪条件优化编队参数；远期开发智能协同控制算法，实现多编队动态组合优化。工程验证表明，该策略可使编队整体续航能力提升25%-40%，碳排放减少18%-30%。

研究局限性在于主要基于实验室模拟数据，实际海洋环境中的洋流、波浪谱等因素影响尚未完全量化。未来研究可拓展至多体协同编队（>3车辆），并探索陆空水复合环境下的跨介质编队航行模式。该成果已申请国家发明专利2项，相关技术正在某两栖物流运输企业试点应用，预计可使运输成本降低15%以上。

该研究标志着两栖车辆能效优化进入系统化工程阶段，其提出的波浪能量传递理论可拓展至船舶、无人机等多域交通工具的协同节能领域。研究团队正在开发基于数字孪生的编队航行优化系统，计划在2025年前完成工程样机的研制。这一突破不仅为绿色交通系统建设提供关键技术支撑，更开创了水面-陆地协同运输的新模式，对促进"一带一路"沿线国家的水陆联运具有重要战略意义。