0 引　言

海洋资源的探索和开发是海洋强国的必争领域，载人深潜技术代表着深海探索技术的制高点，对于海洋文明的发展具有重要意义^[1]。目前，全球拥有200多艘载人潜水器，但仅中、美、俄、法、日拥有8艘能够进行深海探测的载人潜水器。这8艘深海载人潜水器面临着共同的难题− 潜浮时间长。过长的潜浮时间不仅降低了深潜器的工作效率，也容易导致舱内人员不适。

快速潜浮是深潜器技术的发展方向之一，水动力性能是提升潜浮速度的核心^{[1 − 2]}。美国对此展开了大量研究，包括DOER Marine公司的Deepsearch，Cameron投资设计的Deepsea Challenge^[3]，以及Hawkes Ocean Technologies公司的Deep Flight Challenger^[4]；中国的“蛟龙”号也同样拥有大量水动力性能方面的研究，在其研制过程中更是实现了非线性环境下空间运动水动力、无动力潜、浮运动特性等16项关键技术零的突破^[5]。

改变潜浮姿态是提高潜浮速度的重要方式之一，深海载人潜水器的潜浮姿态包括垂直、首倾和尾倾3种姿态，以前2种较为常见。通过调整潜浮纵倾角，可改变迎流面积，从而改变阻力，选取阻力较小的潜浮纵倾角可以有效缩短潜浮运动时间。然而，在调整纵倾角的过程中，不仅阻力改变，升力和俯仰力矩也相应发生了变化。升力会影响深潜器的运动轨迹，过大的升力将增加深潜器的水平漂移距离，致使深潜器偏移目标地点。俯仰力矩对深潜器的操作灵敏度、俯仰姿态稳定性和能量状态有着重要影响，过小的俯仰力矩会降低深潜器俯仰姿态的操纵性能和稳定性。同时，过大的纵倾角将使舱内人员感到不适，不利于潜航员的操作。因此，选择合适的潜浮姿态对深潜器的潜浮速度、运动路径和稳定性具有重要意义。

水动力性能是评估潜水器性能的重要指标，研究方法以数值仿真和试验为主。姜哲等^[6]研究了“彩虹鱼”号深潜器下潜的阻力和速度云图；李志伟等^[2]选取Deepsea Challenge潜水器的6个主尺度参数，建立其水动力系数关于这6个参数的二阶响应面模型；Pranesh等^[7]研究了形状和尺度对于深海载人潜水器阻力的影响；孙鹏飞等^[8]运用CFD方法模拟了全海深载人潜水器直航工况下的运动；Li等^[9]采用CFD方法分析了“Deepsea Challenge”、“Deepsearch”和“Deep Flight Challenger”3艘深海载人潜水器的阻力；李德军等^[10]对海流干扰下的深潜器直航运动和回转运动进行仿真研究。以上研究成果虽然解决了深海载人潜水器水动力系数预测问题，但是缺乏对深潜器尾流流场特性等深层次影响原因的剖析。

傅里叶变换和本征正交分解法（POD）是流场分析的重要手段。傅里叶变换可以将流场信号从时域转换到频域，将信号分解为不同频率的成分。通过分析流场信号的频谱，可以了解流场中不同频率的振动或波动特征，在监测流场及受力变化等方面已有广泛应用^{[11 − 13]}。POD可以将高维度的流场数据降到较低的维度，从而减少数据的复杂性，通过POD分解，可以提取出流场中的主要模态，即具有最大能量的模态，而忽略能量较小的模态^[14]。Li Ming等^[15]运用POD方法，分析了方柱的尾流；Alzabari等^[16]使用POD方法研究了圆柱尾流的漩涡脱落；Hiroka^[17]在三流流场中运用POD方法研究了短圆柱的尾流结构。

本文以“蛟龙”号1∶36缩比简化模型为研究对象，通过改变纵倾角调整深潜器上浮姿态，利用六分量传感器得到上浮过程中不同姿态下深潜器的阻力、升力和俯仰力矩，基于傅里叶变换方法获得升力功率谱。在此基础上，利用PIV粒子图像测速法拍摄深潜器尾流流场，获得时均流线、均方根速度、湍动能、法向速度和雷诺应力分布，基于POD分析方法获得流场主要模态，从而分析深潜器上浮阻力、升力和俯仰力矩变化的流场原因。

1 试验模型及设备 1.1 试验模型及工况

本文选取“蛟龙”号深潜器作为研究对象，制作1∶36缩比简化模型，缩比模型长度为L=22 cm。本文通过改变纵倾角调整深潜器上浮姿态，图1为深潜器艏倾姿态示意图，图中$ \theta $为纵倾角。由于过大的纵倾角将增加舱内人员的操作难度，本文选取纵倾角为0～30°，其中0°时为垂直上浮姿态，其余角度为首倾上浮姿态。鉴于尾倾上浮姿态较为少见，本文不作考虑。

真实的“蛟龙”号深潜器上浮速度0～0.7 m/s，雷诺数范围0～322000，缩比模型的流速工况为0.5 m/s，雷诺数6456，流体运动状态为湍流。

1.2 深潜器受力特性试验系统

本文采用1∶36深潜器外观缩比模型，基于六分力仪和循环水槽，测量并验证不同俯仰姿态下深潜器的流场和受力特性，试验系统示意图如图2所示。六分力仪测力量程为2 N，测力矩量程为0.2 N·m，测量精度为0.15%，循环水槽截面为600 mm×600 mm的正方形，阻塞比为3.4%。

1.3 深潜器流场特性试验系统

通过流场研究可以进一步了解深潜器受力变化的深层原因，本文采用PIV粒子图像测速法对潜水器流场进行观测，试验现场如图3所示，图像传输速度采用1000 fps，示踪粒子直径为0～10 μm，试验流速为0.5 m/s。

2 深潜器上浮姿态受力特性分析 2.1 深潜器上浮姿态测力结果

本文选取上浮纵倾角0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°进行深潜器上浮受力特性试验。试验流速工况为0.5 m/s，测得不同纵倾角姿态下深潜器上浮受力情况如图4所示。阻力、升力和俯仰力矩趋势区别较大，随着纵倾角的增加，阻力持续下降；升力先变换方向，然后不断减小；俯仰力矩先增大后减小。阻力在0°纵倾角时最大，在30°时最小。升力在10°纵倾角时最大，在0°纵倾角时最小。俯仰力矩在10°时最大，在30°时最小。其中，上浮阻力随纵倾角变化趋势与图5中迎流面积变化趋势相同。相比于垂直上浮姿态，以30°纵倾角上浮时阻力下降了38.2%，升力大小上涨了98.9%，俯仰力矩下降了20.8%。尽管改变深潜器上浮纵倾角可以有效减小上浮阻力，但升力的大幅上涨将使深潜器严重偏离目的地，俯仰力矩的大幅下降将使俯仰姿态稳定性降低。

2.2 升力功率谱分析

通过分析潜水器的升力功率谱密度，可以了解潜水器在不同频率范围内的升力变化情况，从而对潜水器的稳定性、操纵性和控制性能进行评估和优化。本文采用六分量传感器，以100 Hz的测量频率对深潜器升力变化进行监测，监测时长为60 s，并将所测升力数据进行傅里叶变换，从而获得升力功率谱。如图5所示，垂直上浮时，深潜器主要频率为0.17 Hz和0.32 Hz，功率谱密度为4.8×10⁻³和6.7×10⁻³；以10°纵倾角上浮时，深潜器主要频率为0.7 Hz，功率谱密度为6.1×10⁻⁴；以20°纵倾角上浮时，深潜器主要频率为0.52 Hz，功率谱密度为5.3×10⁻⁴；以10°纵倾角上浮时，深潜器主要频率为0.47 Hz，功率谱密度为4.3×10⁻⁴。

深潜器升力变化的能量主要集中在低频区域；增大纵倾角后，升力变化主要频率先增大后减小，且均大于垂直上浮姿态；功率谱密度图中的峰值随着纵倾角的增加而降低，说明升力变化的强度随纵倾角增加而减小。

3 深潜器上浮姿态流场分析 3.1 时均流场分析

本文选取上浮纵倾角0°、10°、20°、30°进行深潜器上浮姿态流场拍摄试验，并运用图像后处理技术对拍摄流场进行处理，获得时均流线、均方根速度、湍动能、法向速度和雷诺应力分布。

如图6所示，为深潜器在不同上浮纵倾角情况下的时均流线分布。垂直上浮姿态下，深潜器首尾尾流区均存在一个大漩涡，且非对称，这是导致垂直上浮姿态下升力变化存在2个主要频率的重要原因。上浮纵倾角增加到10°，尾部尾流漩涡消失，尾流区域减小。随着上浮纵倾角继续增加到20°，首部尾流漩涡分裂成多个小漩涡，且尾流区域进一步缩小。当上浮纵倾角增加到30°，分裂的漩涡再次合并。从0°到30°，尾流区域长度从0.4L缩小到0.2L，缩小了50%。随着上浮纵倾角的增加，尾部尾流涡量的绝对值不断减小，首部尾流涡量变化不明显。

如图7所示，为深潜器在不同上浮纵倾角情况下的归一化均方根速度分布。随着上浮纵倾角的增加，尾流低速区域面积减小，速度迟滞特性的影响降低。高速区均出现在艏部尾流处，随着上浮纵倾角的增加发生转移，速度峰值随着上浮纵倾角的增加而减小，促使水流阻力减小。

如图8所示，为深潜器在不同上浮纵倾角情况下的归一化湍动能分布。上浮纵倾角从0°增加到10°，首部尾流湍动能显著降低，尾部尾流湍动能急剧增加，尾流转向尾部发展和扩散，最大湍动能略有降低。随着上浮纵倾角的进一步增加，最大湍动能不断降低，并始终处于尾部尾流处，促使水流阻力减小。相比于垂直上浮姿态，以30°纵倾角上浮时最大湍动能下降了33.6%。

如图9所示，为深潜器在不同上浮纵倾角情况下的归一化法向速度分布。上浮纵倾角从0°增加到10°，尾部尾流的法向逆流区域消失，首部尾流的法向高速区域向舯部和尾部转移，促使升力方向发生改变，法向速度峰值无明显变化。从10°增加到30°，法向速度峰值大幅降低，使得升力减小。

如图10所示，为深潜器在不同上浮纵倾角情况下的归一化雷诺应力分布。上浮纵倾角从0°增加到10°，尾部尾流雷诺应力大幅增加，首部尾流雷诺应力减小，随着上浮纵倾角继续增加，首部和尾部尾流的雷诺应力均大幅减小，致使俯仰力矩先增后减。

3.2 基于POD的流场分析

通过POD分解，可以提取深潜器尾流流场中的主要模态，即具有最大能量的模态。这些模态对应于尾流中的主要结构特征，可以用于分析和理解尾流的动态行为。通过观察和分析这些特征模态，可以揭示尾流中的主要特征和相互作用，从而深入理解尾流的形成机制和演化过程。本文针对深潜器不同上浮姿态下的尾流流场进行POD分解，如图11所示，为各阶模态对应的能量占比。各上浮姿态下，能量均主要集中在第一阶模态，0°纵倾角时，第一阶模态能量占比为18.6%；10°纵倾角时，第一阶模态能量占比为16.9%；20°纵倾角时，第一阶模态能量占比为21.7%；30°纵倾角时，第一阶模态能量占比为28.1%。

如图12所示，为POD能量积累曲线，0°、10°、20°、30°纵倾角流场分别在第23阶、40阶、19阶、17阶模态下，POD能量超过51%。随着POD模态阶数的增加，模态的总能量增长幅度减弱，逐渐趋于0，说明POD模态的能量分布具有显著的收敛性^{[18 − 20]}。

如图13所示，为一阶模态下的流向速度云图，在垂直上浮姿态下尾部尾流逆流区域面积与首部尾流高速区域面积相近，升力指向深潜器尾部方向，增大纵倾角后，尾部尾流逆流区域面积减小，首部尾流高速区域面积增加，导致首部压力下降，尾部压力增大，促使升力方向发生改变。随着纵倾角继续增大，首部尾流高速区流速明显降低，导致升力降低。

4 结　语

本文采用1∶36的“蛟龙”号缩比简化模型，利用六分量传感器测得深潜器在不同姿态下的上浮阻力、升力和俯仰力矩，基于傅里叶变换方法获得升力功率谱。运用PIV粒子图像测速法对不同姿态下的深潜器上浮流场进行拍摄，获得时均流线、均方根速度、湍动能、法向速度和雷诺应力分布，基于POD分析方法获得流场主要模态，从而分析深潜器上浮阻力、升力和俯仰力矩变化的流场原因，结果表明：

1）相比于垂直上浮姿态，以30°纵倾角上浮时阻力下降了38.2%，升力方向改变，大小上涨了98.9%，俯仰力矩下降了20.8%，尾部尾流区漩涡消失，最大湍动能下降了33.6%。

2）纵倾角增大后，深潜器升力变化主要频率先增大后减小，且均大于垂直上浮姿态；深潜器升力变化的强度随纵倾角增加而减小。

3）上浮纵倾角从0°增加到10°，尾部尾流逆流区域面积减小，首部尾流高速区域面积增加，导致首部压力下降，尾部压力增大，使得升力方向发生改变。

4）相比于垂直上浮姿态，以30°纵倾角上浮，可以有效减小深潜器下潜和上浮的阻力，但上浮升力增长较大，容易使深潜器偏移目标地点，且俯仰力矩大幅下降，使俯仰姿态稳定性降低。