SUBOFF模型上局部矩形微结构的水动力减阻机制：全尺寸数值研究

《Ocean Engineering》：Hydrodynamic drag-reduction mechanism of local rectangular microstructures on the SUBOFF model: A full-scale numerical study

本研究基于三维轴对称SUBOFF水下机器人模型，通过全尺度数值模拟系统研究微米级矩形沟槽表面结构对流体阻力的影响。结果表明，多数参数组合有效降低总阻力，最佳配置在5m/s时实现5.34%阻力 reduction，其机理在于沟槽诱导局部分离涡，重构尾流场并优化压力分布，为工程应用提供理论依据。

　　

Jingjun Jiang|Biwen Zhang|Xiujing Gao|Chao Yuan|Hongwu Huang

湖南大学先进车辆车身设计与制造国家重点实验室，长沙，410012，中国

摘要

在高速航行过程中，无人水下航行器（UUV）会受到较大的流体动力阻力，这导致能量消耗增加并限制了推进效率。本研究使用SUBOFF模型对装有微米级矩形沟槽微结构表面的水下航行器进行了全尺寸数值模拟，以评估这些微结构对流体动力阻力的影响。为了实现全尺寸计算，应用了对称边界条件，并对中船体前部布置的不同深度、宽度和密度的120种沟槽微结构表面参数组合进行了系统研究。结果表明：（1）大多数微结构参数配置都能有效降低整体阻力；（2）对于代表性的沟槽微结构表面参数，随着巡航速度的增加，阻力降低率主要由于压力阻力的显著减小，而摩擦阻力变化较小。在测试的案例中，$h_3?b_5?n_7$配置在5m/s的速度下表现出最佳性能，总阻力降低率为5.34%。流场分析表明，沟槽微结构表面诱导了局部分离涡旋并重新塑造了尾流，从而有效减弱了尾流涡旋强度并优化了压力分布。这项工作为微结构表面在水下航行器减阻设计中的工程应用提供了理论基础和参数指导。

引言

近年来，关于表面微结构减阻的研究进展迅速，微结构表面和沟槽因其能够调节流场而受到广泛关注（Bhushan, 2012）。其中，矩形沟槽微结构由于其简单的几何形状和易于制造的特点，成为减阻研究的焦点。研究表明，矩形沟槽可以通过调节边界层特性、抑制湍流强度和延缓流分离来有效降低流体动力阻力（Bechert et al., 1997, Stratakis et al., 2020）。例如，Martin和Bhushan（2016）在平板实验中报告称，矩形沟槽可以将摩擦阻力降低约6-8%，这一机制归因于它们能够改变近壁速度梯度并减少湍流能量耗散。类似地，Lang等人（2017）通过仿生学研究海豚皮肤沟槽验证了沟槽的减阻能力。进一步的研究发现，矩形沟槽不仅影响摩擦阻力，还影响压力阻力和尾流结构。Yamagishi等人（2013）证明，在圆柱表面上施加不同数量的沟槽可以显著降低阻力系数，最大降幅可达58%。Tirandazi和Hidrovo（2020）强调，矩形沟槽微结构的宽深比是一个关键的设计参数，在适当范围内可以有效降低边界层阻力。此外，仿生微结构（如鲨鱼皮肋条）启发了矩形沟槽的设计，研究表明其减阻性能与沟槽的几何参数密切相关（Dean and Bhushan, 2010, Wen et al., 2014）。

随着计算流体动力学（CFD）的进步，基于CFD方法的流体动力性能模拟已广泛应用于水下航行器的阻力分析和结构优化。与传统物理实验相比，CFD具有建模灵活性、数据采集丰富、成本较低和效率较高的优势，特别适合于复杂三维流场中的可控参数研究（Zhang et al., 2024b）。因此，越来越多的研究人员采用CFD技术来数值研究表面微结构的减阻效果并探索其背后的机制。无需昂贵的实验设施，CFD可以有效地评估不同微结构配置对流场和流体动力性能的影响。例如，Ran等人（2021）使用湍流粘性修正的RANS模型和线性二次调节器（LQR）优化了肋条几何形状，旨在最小化湍流动能（TKE）和壁面摩擦阻力。Li等人（2021）利用直接数值模拟（DNS）分析了肋条表面在湍流中的减阻机制，发现通过抑制湍流强度和减少压力阻力，总阻力可降低多达38.52%。Peyvastehnejad等人（2023）结合大涡模拟（LES）和k-方程亚格子尺度模型研究了仿生微结构表面在湍流通道中的抗生物污染性能，发现最小间隙$s^{+}=10$能有效屏蔽平均湍流应力。Sharma和Dutta（2023）使用SST湍流模型对平板上的三维锯齿状仿生肋条进行了数值模拟，确认在湍流边界层内的最大阻力降低率为13.2%，数值结果与实验结果吻合良好。Mawignon等人（2023）应用SST湍流模型对仿生鲨鱼皮微肋表面的减阻性能进行了CFD模拟，优化了肋条的排列和方向。他们的结果表明，90°方向的交错排列在层流和湍流条件下分别实现了11.3%和6%的最佳减阻率。

目前，大多数关于微结构表面的减阻研究集中在二维平板、通道流或圆柱模型上，而针对整个水下航行器的微结构表面的系统研究（如SUBOFF模型）仍然相对较少（Qiu et al., 2020, Qu et al., 2021, Wu et al., 2020, Zhao et al., 2024）。尽管这些简化模型在揭示微结构表面对边界层结构和剪切应力的调节作用方面具有一定优势，但其理想化的流动条件和简化的边界使得难以完全捕捉实际复杂三维水下航行器在操作流环境中的阻力变化机制。此外，现有研究主要关注微结构对摩擦阻力的影响，对其如何引起压力变化以及如何改变尾流结构从而影响压力阻力的探索相对有限。在高雷诺数下，压力阻力往往构成水下航行器总阻力的重要部分。忽略其影响可能导致对减阻机制的理解不完整，并使优化设计偏离实际操作要求。

因此，基于现实的三维轴对称SUBOFF模型，系统分析不同结构参数组合（如深度、宽度和密度）的矩形沟槽微结构对流场变化和阻力分布的影响，不仅有助于扩展微结构表面减阻技术在实用水下航行器中的应用场景，还为进一步的减阻优化设计提供了可靠的数值证据和理论支持。因此，这项工作具有重要的理论价值和实际工程意义。

部分摘录

几何模型

本研究使用的几何模型基于DARPA SUBOFF标准设计，其主要结构参数列于表1中。该模型是潜艇流体动力学研究中的经典基准几何形状，广泛用于验证数值模拟的准确性（Divsalar, 2020, Roddy, 1990）。

SUBOFF的整体长度为$L_{}=4.356m$，最大直径为$D_{\text{MAX}}=0.508m$。如图1所示，其船体由三个部分组成：前体、中体和

沟槽参数对减阻的影响

首先，分析了在三种不同微结构表面深度下，沟槽宽度和数量的变化对SUBOFF相对于光滑船体模型的总阻力降低率的影响，模拟速度分别为1、3、5和9 m/s。其中，9 m/s是本研究中的最高模拟速度，用作检查阻力降低性能速度依赖性的上限。这项分析旨在确定结构参数的变化如何

结论

本研究基于典型的三维轴对称SUBOFF潜艇模型，在不可压缩海水条件下进行。使用RANS方程和$k??\omega$ SST湍流模型进行了全尺寸数值模拟，并应用了对称边界条件以降低计算成本。通过在船体中部的前部布置具有不同几何参数的微米级顺流向矩形沟槽微结构表面，

CRediT作者贡献声明

Jingjun Jiang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据整理。Biwen Zhang：资源准备。Xiujing Gao：方法论。Chao Yuan：撰写 – 审稿与编辑。Hongwu Huang：资源准备，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了福建省科学技术厅重大专项项目（2023HZ025003）、福建省财政厅教育科研项目（GY-Z220233）、福建理工大学的研究启动资金（GY-Z23027）以及福建理工大学海洋智能装备重点实验室开放研究基金（KF-92-25104）的支持。