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多模式无人水面-水下车辆（SUV）通过同步控制水翼布局、气动浮力和推进系统构型，实现低速滑翔、定深、转向及水面航行模式切换。基于计算流体动力学（CFD）软件，结合多相流、流固耦合和运动姿态综合分析，建立了高精度水动力学仿真模型。实验验证显示，优化水翼形状使总阻力降低32%，升力提升25%，并成功构建了水面导航样机，验证了仿真模型的有效性。
Zhen Xu|Yuanhao Li|Shiye Xian|Haitong Zhao|Tianli Liu|Shaoqiong Yang|Tongshuai Sun
摘要
在无人车辆的创新设计中，同时实现高速水面航行和长距离水下航行是一个关键挑战。本文提出了一种水面-水下无人车辆（SUV），该车辆通过同步控制水翼布局、净浮力和推进系统配置，在低速滑行模式、固定深度模式、转向模式和水面航行模式之间切换。本文分析了SUV的可行性和基本配置，并基于计算流体动力学软件建立了水面航行的流体动力学仿真建模方法。该模型分析了SUV的流体特性、姿态等关键参数。优化后的水翼形状使得车辆总阻力降低了32%，在3米/秒的速度下升力增加了25%。随后，开发了一款处于水面航行模式的水翼SUV演示原型。通过在湖泊中进行的一系列实验，验证了所提出的流体动力学仿真建模方法和SUV的水面航行性能。
引言
无人水面车辆（USVs）和无人水下车辆（UUVs）被广泛应用于海洋观测和海洋资源勘探。由于具有高速度和出色的机动性（Liu等人，2016年），USVs在测量风、波浪、水流等空气-水界面元素方面具有显著优势（Wang和Li，2024年）。然而，USVs在极端天气条件下（如高浪和台风）难以生存（Chen等人，2021年）。相比之下，UUVs（如自主水下车辆（AUVs）和自主水下滑翔机（AUGs）可以潜入预定深度，在海洋环境勘探（Ciaccio和Troisi，2021年）、海底地形测绘（Zhao等人，2023b年）和环境监测（Siregar等人，2023年）方面具有巨大价值。由于流体动力阻力较大，UUVs的速度通常较低，通常为1至5节（DL，2016年；Edge等人，2020年；Jaya和Kartidjo，2022年；Li和MA，2020年；Xu等人，2019年），这限制了它们在不同观测区域之间的快速转移。如果无人海洋车辆能够在海洋勘探过程中获取空气、海面和水下环境的数据，海洋科学家将能够更好地理解海洋并提高海洋现象的预测准确性。然而，实现USVs和UUVs之间的同步操作仍然是一个重大挑战，这对车辆间通信和协调控制策略提出了严格要求（Lindsay等人，2022年）。因此，一种能够在不同领域工作并整合USVs和UUVs优势的新型无人车辆已成为水下机器人工程师和研究人员的热门研究课题。
Olmos等人（2019年）提出了一种可以通过调整水翼位置在水面和水下模式之间切换的UUV。Liu等人（2022年）提出了一种结合了帆船和UUV特性的双模态无人车辆。Wan等人（2022年）提出了潜水水面船的概念，并评估了优化后的反向传播神经网络在预测其阻力方面的性能。尽管先前的研究已经证明了将水面和水下航行模式集成到单一UUV中的可行性，但较大的水下正面面积导致水面航行速度较低且能耗较高，这限制了这类车辆的广泛应用。因此，在水面航行过程中减小水下正面面积对于推进其应用至关重要。
作为常见的流体动力组件，水翼通过在航行过程中产生足够的升力来将船体抬高出水面，从而提供直接解决方案（D'Amato等人，2023年）。Chen等人（2023年）为船头设计了一种水翼，在高速下将阻力降低了14.55%。Pan等人（2025年）为两栖车辆开发了一对水翼，在水面模式下将阻力降低了40%。Shen等人（2022年）优化了水翼的几何参数和安装位置，在8米/秒的速度下将阻力降低了30.74%。这些研究表明，水翼可以有效减少车辆在水面航行过程中的流体动力阻力，从而提高能源效率并增加巡航速度。
水翼设计，包括其形状和几何参数，与车辆的流体动力学密切相关。车辆的水面航行涉及复杂的物理现象，特别是多相流和刚体与流体之间的动态相互作用。为了全面分析流体动力特性并准确评估UUV的水面航行性能，建立具有高物理真实度的仿真模型是必要的。Zhang等人（2024年）使用了SST k–ω模型来准确模拟内部孤立波与圆柱体之间的相互作用。为了探索UUV在不同振幅的内部孤立波下的流体动力特性，Cheng等人（2024年）采用了重叠网格技术来模拟车辆在水面航行模式下的运动。Matveev等人（2019年）采用了体积流量（VOF）方法来准确捕捉空气-水自由表面的演变，从而有效提高了表面特性分析的准确性。Lv等人（2023年）利用动态流体体相互作用（DFBI）模型来模拟车辆对流体力的响应运动，从而更准确地预测其流体动力特性。通常，这些仿真方法是单独用于解决特定问题的，例如自由表面演变、车辆姿态动力学或流体-结构相互作用。很少有现有模型能够综合这些因素来分析带有水翼的车辆的表面航行性能。为此，我们通过综合各种仿真方法，提出了一种高保真的水面航行流体动力学仿真建模方法。
本研究提出了一种水面-水下无人车辆（SUV），该车辆通过同步控制水翼布局、净浮力和推进系统配置，在低速滑行模式、固定深度模式、转向模式和水面航行模式之间切换。本文分析了SUV的可行性和基本配置，并基于计算流体动力学软件建立了水面航行的流体动力学仿真模型。该模型用于分析和预测SUV的流体特性、姿态等关键参数。
本研究的创新点如下：首先，提出了一种能够进行多模式水面和水下航行的新型SUV。其次，设计并验证了一种气动浮力系统，以促进航行模式之间的快速切换。第三，建立了一种综合考虑多相流、流体-结构相互作用和车辆运动姿态的流体动力学仿真建模方法。该模型能够详细、高保真地分析SUV的水面航行特性，从而便于后续的设计优化。第四，优化了水翼形状以增强升力生成，进一步降低了车辆的总流体动力阻力。最后，实验测试验证了流体动力学仿真建模方法的准确性，并确认水翼优化显著提高了SUV的航行效率。
章节摘录
概念设计
所提出的SUV由船体、水翼单元、通信单元、浮力调节系统、推进系统和俯仰角控制单元组成。为了详细描述SUV的各个组件，建立了一个以车辆重心为原点的固定坐标系。X轴、Y轴和Z轴分别指向船头方向、左侧方向和向上方向。俯仰角控制单元用于调节车辆的俯仰角度
计算域和流动求解器
进行CFD仿真以分析SUV在水面航行过程中的流体特性。此外，还开发了一种流体动力学仿真建模方法来预测车辆的航行姿态、重量等关键参数。在本研究中，计算域包含了空气和水两个相，以准确模拟SUV遇到的多相流环境。采用了重叠网格技术来处理车辆在动态中的相对运动
用于水面航行的演示SUV
如图30所示，构建了一款演示SUV，它由船体、能源和控制单元、水翼单元以及推进系统组成。车辆的详细几何参数列在表8中。水翼必须结构坚固以承受显著的流体动力载荷，并且必须极其轻便，以避免影响车辆的整体质量分布。因此，水翼采用复合材料结构制造
结论
本文提出了一种新型SUV，通过水翼提高水面航行效率，同时保持水面和水下航行能力。为了评估水面性能，开发了一种流体动力学仿真模型，并通过与实验结果的比较进行了验证。本研究的主要结论如下：
(1)所提出的SUV可以实现多种模式，包括低速滑行模式、
CRediT作者贡献声明
Zhen Xu：撰写——原始草稿、方法论、研究。Yuanhao Li：研究。Shiye Xian：数据整理。Haitong Zhao：监督。Tianli Liu：项目管理。Shaoqiong Yang：撰写——审阅与编辑、方法论。Tongshuai Sun：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（52305031）对这项研究的支持。
