基于连续小波变换与动态模态分解的双排丝状附体减阻机制研究及其对潜航器下潜速度的优化作用

　　本文创新性地采用双排丝状附体结构，通过计算流体动力学（CFD）模拟与粒子图像测速（PIV）实验结合连续小波变换（CWT）和动态模态分解（DMD）方法，揭示丝状附体通过抑制边界层分离、优化涡结构分布实现潜航器6.67%的减阻效果，为水下装备流体动力学优化提供新策略。

　　

Highlight

潜航器阻力测试系统

本研究聚焦潜航器垂直下潜工况。图1展示了实验装置示意图与物理模型。阻力测试在循环水槽中进行，包括水泵、管道系统及配备透明丙烯酸面板的测试段（用于激光照明与粒子图像测速（PIV）测量）。测试段长2.5 m，横截面积0.6 m × 0.6 m，为实验提供有效观测区域。

数值模拟理论

对于不可压缩黏性流体，忽略潜航器热尾流效应后无需能量方程，因流动物理过程可由质量与动量守恒定律完整描述（Chang等，2006）。因此，黏性流场通常采用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程建模（Yakhot与Orszag，1986）。

不可压缩流体连续性方程为：

?u_i/?x_i = 0

其中u_i表示x_i方向的流速分量。

数值模拟

本研究采用"蛟龙"号潜航器的简化缩比模型（图2a）。模型长度L = 220 mm，最大直径D = 60 mm，丝状附体长度用l表示。数值模型与实验设置保持1:1比例。为探究传统潜航器流场分布特性，我们开展了数值模拟研究。在流速0.5 m/s（对应雷诺数Re = 65,749）条件下进行了网格无关性验证。

Conclusion

为探究双排丝状附体对潜航器的减阻机制，我们采用扭矩传感器与粒子图像测速技术开展实验，并从时均流场、瞬时流场、时频分析和动态模态分解等角度解析结果。主要发现如下：

(1) 双排丝状附体安装显著降低潜航器阻力。最优配置（A = 0.05L）可实现6.67%的减阻率，而过长附体（A = 0.10L）会因局部扰动增强导致减阻效果下降。

(2) 丝状附体通过抑制逆压梯度诱导的边界层分离，有效延迟流动分离点。

(3) 附体促使尾流中大尺度涡结构破碎为小尺度涡，提升流场稳定性。

(4) 连续小波变换（CWT）分析显示附体显著降低低频涡动能，减少流动分离倾向。

(5) 动态模态分解（DMD）表明附体通过抑制低阶模态能量（模态0-2）并增强高阶模态（模态3-5），优化能量重分配过程。

Limitations and Outlook

本研究虽揭示了丝状附体减阻机制，但仍存在若干局限：首先，水下模型尺寸远小于全尺寸潜航器，实验流速下雷诺数（Re = 65,749）低于实际深海工况（通常Re > 10⁶），当前结论对其他潜航器的直接适用性有限。