无人艇编组航行水动力性能预报研究
摘要
随着水面无人艇智能化水平的不断提升，其应用场景已经逐渐从内陆的江、河、湖
泊走向近海和远海，从单艘无人艇独立执行单一任务逐渐向多艘无人艇协同完成复杂任
务发展。目前，世界各国的水面无人艇多为中小型艇，排水量小，可携带燃料较少，普
遍存在续航能力不足的问题。因此，如何减少水面无人艇的航行阻力成为近几年来研究
者关注的热点问题。本文借鉴自然界中禽类与鱼类通过编队运动来减小飞行或游动阻力
的行为模式，利用CFD商用软件STAR-CCM+，研究多艘无人艇以特定的编组方式航行
实现减阻，考察无人艇在编组航行过程中阻力与航态的变化情况，探究阻力最低的无人
艇编组航行方式。
首先，论文研究了无人艇水动力性能的数值预报方法。对一种M型三体无人艇模
型进行静水直航水动力性能的数值计算，并将计算结果与试验值进行对比，分析了自由
液面网格尺寸和时间步长对无人艇静水阻力计算结果的影响，获得了一种计算精度和计
算效率均较高的网格划分方式和计算时间步长，验证了基于STAR-CCM+软件预报无人
艇静水航行水动力性能数值计算方法的可行性和误差范围。在此基础上，基于VOF造
波模块，对规则波中的M型艇迎浪运动水动力性能进行了数值计算，通过与试验值的
对比，验证了波浪中无人艇水动力性能数值计算方法的可行性和误差范围。
其次，论文开展了两种无人艇在静水中以双艇编组方式航行的水动力性能预报研究。
论文设计了四种双艇编组队形，数值计算了每一种编组队形的双艇编组在不同的艇间距
下静水航行的水动力性能。计算结果表明不同的编组方式在特定的艇间距下都会对无人
艇编组产生减阻效果，编组中领航艇的阻力受到的影响不大，跟随艇的阻力受到的影响
较大，减阻效果明显。其中当领航艇为三体无人艇，跟随艇为单体无人艇且两艇间距为
两倍艇长时，无人艇编组能获得最好的减阻效果。
再次，论文以双艇编组为基础，研究了三艇编组在静水中航行的水动力性能。选用
三体无人艇作为研究对象，设计了一字型和品字型两种三艇编组队形，数值计算了两种
编组队形在不同艇间距下静水航行的水动力性能。计算结果表明一字型编组方式具有更
好的减阻效果，并且在相邻两艇的艇间距均为两倍艇长时，三艇编组可以获得最好的减
阻效果。
最后，论文选择双艇编组中减阻效果最好的一种编组为研究对象，进一步分析双艇
编组在规则波中迎浪航行的水动力性能。计算结果表明，双艇编组在规则波中航行时同
哈尔滨工程大学硕士学位论文
样具有减阻效果，且在艇间距为一倍艇长时，减阻效果最为显著。
关键词：无人艇编组航行；计算流体力学；阻力预报；耐波性预报；编组航行减阻
无人艇编组航行水动力性能预报研究
Abstract
Withthecontinuousimprovementoftheintelligentlevelofsurfaceunmannedvessels,
theirapplicationscenarioshavegraduallymovedfrominlandriversandlakestooffshoreand
openseas.Additionally,theyhaveevolvedfromsingleunmannedvesselsperformingasingle
taskindependentlytomultipleunmannedvesselscooperatingtocompletecomplextasks.
Currently,mostunmannedvesselsintheworldaresmallandmedium-sized,withsmall
displacementandlimitedfuel,resultingininsufficientendurance.Therefore,howtoreducethe
resistance