0 引　言

随着时代的发展，如今的三体船无论是在理论技术上，还是在实践功能上，正趋近完善，并且其航速相比普通船型而言高出50%左右，比常规船型高出20%以上。究其原因，是因为三体船可以借助其中的压浪板提升船舶的耐波性，降低船体的阻力和机器的噪声等，从而提高其在水上应用动能。此外，三体船与传统的船型不同的是，三体船是由主船体和2个附体组成，因此在巡航状态下可以避免船体与水之间发生剧烈的相互作用，降低与水发生剧烈碰撞的几率，保护船舶结构和设备不受损坏，满足操作人员对于船舶操纵性能的需求，使其在恶劣海况下航行时，也可以凭借优异的纵摇与升沉运动提升其续航力以及恶劣海况下的生存能力。

为了进一步对三体船压浪板展开研究，本文结合流体力学湍流模型求解三体船的空间物理模型，并用有限个离散点上的数值集来代替，建立代数方程式。借助CFD软件对这些代数方程求近似解，得到对应的离散方程组，最终借助虚拟仿真系统对其进行相关开发设计^[1-3]。

1 SST k - ω湍流模型

目前在学术上，关于湍流模型主要以雷诺应力模型和涡粘模型为主，而基于计算流体力学的软件中，又大致可以分为以下几种涡粘模型：Spalart - Allmaras模型、k - ω模型以及k - ε模型。三体船压浪板湍流模型研究拟采用SSTk - ω湍流模型，其控制方程如下：

湍流动能k方程：

$ \begin{gathered} \frac{{\partial \left( {\bar \rho k} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\bar \rho {{\mu '}_j}k} \right)}}{{\partial {x_j}}} = \\ \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {{\mu _t} + {\sigma _k}{\mu _t}} \right)\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right] + {P_k} - \bar \rho {\beta _k}k\varpi \left[ {1 + F\left( {{M_t}} \right)} \right]。\\ \end{gathered} $

湍流频率ω方程：

$ \begin{gathered} \frac{{\partial \left( {\bar \rho \varpi } \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\bar \rho {{\mu '}_j}\varpi } \right)}}{{\partial {x_j}}} = \\ \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {{\mu _t} + {\sigma _k}{\mu _t}} \right)\frac{{\partial \varpi }}{{\partial {x_j}}}} \right] + \gamma \frac{\varpi }{{\text{k}}}{P_k} + \frac{{2\left( {1 - {F_1}} \right)\bar \rho {\sigma _{\varpi 2}}}}{\varpi } 。\\ \end{gathered} $

2 三体船压浪板设计实验 2.1 STAR-CCM+模型阻力计算

三体船压浪板的阻力值基于SST k - ω湍流模型测力公式进行计算，结合冲量定理对压浪板二相流体（空气与水雾）展开分析，计算三体船压浪板静放在二相流体中，在不考虑二相流体的情况下，其减阻F_Dr为：

$ {F_{{D_{\text{r}}}}} = {F_{{D_{\text{c}}}}} - \left( {{F_D} + {F_T}} \right) 。$

如图1所示，基于三体船压浪板的物理模型，计算其中模型所受力的大小变化，最终得出三体船压浪板所受的推力，其阻力系数为：

$ {F_D} = \frac{{{C_D}}}{{{S_C}{{{U}}_{{0}}}}}。$

根据图1进行受力分析，得出船舶压浪板产生作用力和升力矩，其中作用力如下：

$ F=\frac{1}{2}\rho A{U}^{2}{C}_{L}\left({\theta }_{2}\right)={k}_{2}{\theta }_{2} \text{，} $

升力矩为：

$ P={F}_{flap}{x}_{2}={k}_{2}{x}_{2}{\theta }_{2} 。$

2.2 定常螺旋桨对阻力系数的影响

基于以上推导公式结合实际统计数据，得出船舶阻力约占整个三体船压浪板阻力的40%，在已有的理论研究中，采用6°的压浪板能取得6.5%减阻效果，为了对研究结论进一步完善，找出其中的临界点。搜集相关数据，在参考湍流模型等相关参数后，将其录入系统得出如表1所示结果。

不同的螺旋桨对车体的减阻效果不同，其中采用45°的流量系数为：

$ \text{tan}\alpha =\frac{BO}{MO}=\left[{1.3\times 10}^{{-4}}\sim 5.1\times 10^{-2}\right] 。$

3 人机交互设计

基于湍流模型分析与三体船压浪板设计实验结果，将其应用于虚拟仿真实验三体船压浪板中，并对实验信息进行录入/改造^[4-5]。

3.1 外部输入设备交互设计

在各种虚拟仿真的实验三体船压浪板中，对外部输入的装置进行交互设计，常见外部设备包括鼠标、键盘、把手、遥杆、触屏、VR把手、按键、VR等，为使该三体船压浪板能达到简洁操作，易于上手和流通的要求，本次开发三体船压浪板和外设交互设计以鼠标，键盘为主。用户只要利用外设的方式，就可以在一个虚拟三体船压浪板上进行测试，完成场景切换、视角控制、信息输入、位置移动、触发事件、修改状态等一系列的操作，压浪板的运动可以由多个方向的向量叠加计算，再根据相对的位置偏移，归一化计算即可实现。

在虚拟仿真系统的操作界面可以显示用户自己的名字，侦听鼠标悬停的情况，通过判别机制可以轻松获得操作信息。外部设备可能根据信息提示，在出现故障时进行快速响应，使得设备交互更加便捷。

3.2 UI交互设计

NGUI执行功能时，每个增加的控件，在控件上都有一个对应脚本，以实现该控件所对应的功能，而且UI控件有很多类型，如复选框按钮，滑条，下拉菜单，进度条，输入框，显示控件工具等。创立Button需要注意UI的一些特性，具体的内容如下：

1）为缩短重建与渲染的时间，UI元素的个数需降低，利用更改材质属性，实现UI元素色调的更改。对一些不透明背景后安置UI元素，设置成禁止不可见UI，缩短计算渲染的时间。

2）对NGUI编码进行重构优化。每一个widget都会记录在VBO，然后从顶点的index开始进行检索优化。在widget更改的情况下，只要改变widget本身顶点的信息就可以，不需要重构整个drawcall的mesh数据。

4 虚拟仿真实验三体船压浪板的实现

在Unity 3D上完成虚拟仿真的实验部分，按照仿真三体船压浪板功能要求，把三体船压浪板划分为9个模块，分别是用户管理的模块、场景漫游模块，用于视景、装置的功能模块、录入交互模块、提示与反馈模块、通路测试模块、所述时间记录模块、数据管理模块等。采用多模块设计，使得三体船压浪板所需的各项功能得到完全实现，大大改善该三体船压浪板的模拟和实用性能。

4.1 用户管理模块

用户在湍流模型分析虚拟实验平台中录入IP地址，开启虚拟三体船压浪板的登录界面，单击注册按钮，就可以进入到注册页面。通过对用户管理进行科学管理设计，提高虚拟仿真实验平台实用性和安全性。

管理员登录流程如图2所示。当输入的帐号、密码的验证信息被采用时，启动管理三体船压浪板信息，录入错误信息后，又重新回到三体船压浪板首页。

4.2 场景漫游模块

场景漫游是虚拟仿真三体船压浪板不可缺少的一项功能，使用者通过鼠标、键盘和手柄实时控制场景内虚拟人物的并行运动、跳跃和攀爬、下蹲及其他运动与行为，然后借助第一种或者第三种视角的形式，用运动摄影机把景物中的照片拍下，将其传输至视图界面。

具体实施办法如下：首先，定义摄像机的X轴变量、相机Y轴变量，然后使用Input.GetAxis函数定义鼠标的初始状态，最后实现摄像机在水平方向上的自由运动。控制A和D控制水平方向，键盘输入的A是−1，D是1；采用W和S来控制前进和后退，此法返回值为−1～1，键盘输入W即为−1，S即为1。

4.3 视景模块设计

开展实验时，首先需要避免场景内往返于搜索网络设备，这一步可以通过提前进行网络适配，减小搜寻时间。下一步实现视景模块中的场景跳转功能，又被称为场景切换，通过转换场景界面，降低用户繁琐的操作。情景的跳跃有3种情况：界面之间互相切换、重置实验界面、实验接口。

1）虚拟三体船压浪板界面的互相切换

建立操作场景的Button按钮，设定好它的参数后将对应的脚本挂到按钮中。挂载脚本前，首先对File-Building Settings场景进行编号设置，当按键被按下后，脚本执行将跳过对应号码的情景，并在unity自带按钮对事件做出反应，把设定了场景编号的编码拖到功能上，如图3所示。

2）主实验界面中实验重置

重置按钮，利于操作人员重复学习和钻研，方便对操作人员错误的改正。

3）实验选择的虚拟三体船压浪板包含了大量实验场景，所以需要一个场景选择的接口，让操作人员进行选择和跳跃。利用NGUI构建静态界面，通过代码调用初始化并展示预置界面，实现接口的转换。用户只要按一下按钮，就可以达到跳转的目的。

4.4 反馈模块设计

虚拟三体船压浪板采用人机交互，用图文结合的方式。在做实验的过程中，虚拟三体船压浪板要对操作人员进行直观错误提示。如有不正确之处，可以以弹窗及警示音等方式将不正确信息传递给操作人员进行实验。当操作者单击相关按钮时，关于三体船压浪板的相关信息就会弹出来并反馈给使用者，本操作界面减少了操作过程的失误，提高了实验效率。

4.5 输入交互模块

在所设计的模拟实验三体船压浪板上，对网络设备参数信息进行修改，然后利用Ping命令进行网络状态测试，均需采用输入功能模块。输入交互是仿真实验得以实现的重要途径，输入框由Label扩展而成，主要目的在于接收用户输入文字，特定的文本输入类型可输入单行或多行文字，通常用于在注册界面上对数据进行校验。输入框有以下几种设置方法：

1）建立以UI Sprite为输入框背景的Input名称；

2）向Input下面加上Label，以显示所录入的单词；

3）将Box Collider与UI Input组件一起加入Input操作对象中，设置对应属性。

4.6 通路测试

测试网络恢复畅通与否，标志着对故障进行分析的仿真实验能否取得成功，因此，有必要对网络通路进行科学完整的测试流程，以便在测试时对预设故障进行逐一维修，在每个预设的故障点中，存在着各种不同的状态信息，对故障点的状态进行正常检测，非正常状态下采用实验操作的方法对故障进行维修。

5 结　语

本文研究三体船压浪板的工作原理，建立其物理作用模型，通过虚拟仿真软件，设计易于操作的用户软件界面，方便用户对压浪板的各种操作进行训练，用户可以通过计算机终端观察到各种实验现象，极大地提高了仿真系统的实用性。