国际海洋科学界将水深6500米以深的区域定义为“深渊海沟”,简称深渊,把专门研究深渊内的海洋科学称为深渊科学,主要研究内容包括地质学、生物学和生态学等前沿科学。作为深渊科学研究不可或缺的重要装备,下潜深度更大、作业时间更长的全海深潜水器在深渊科学研究中扮演着越来越重要的角色。潜水器类型不同,则各自水动力特点也不同,水动力研究的重点亦有所差别。对于全海深载人潜水器,随着水深的增大和下潜上浮距离的增长,如何通过运动优化实现快速的水面与海底间迁移;如何通过外形优化减少阻力,降低能源消耗,保证长时间的水下可作业时间以及由此带来的一系列水动力问题,使得水动力学科在全海深潜水器设计中发挥着越来越重要的作用,水动力性能的优劣直接影响着潜水器的经济性、实用性和安全性等。本课题以上海海洋大学深渊科学技术研究中心正在研发的“彩虹鱼”号全海深载人潜水器为研究对象,对其展开相关水动力性能研究,通过研究进而对潜水器参数进行优化,旨在为潜水器研制提供技术支持。为解决上述问题,本论文主要开展了以下工作:(1)本文分别对现有国内外全海深无人和载人潜水器进行综述,重点阐述了全海深潜水器的功能和性能。从水动力性能研究方法出发,概述了理论分析、实验研究和计算流体动力学三种不同的方法。同时介绍了潜水器进行水动力性能的主要内容包括阻力计算、型线优化设计以及下潜上浮过程速度和姿态模拟,并对每一部分内容进行综述。(2)本文使用计算流体力学方法分别开展了潜水器直航和垂直下潜上浮工况下数值计算研究。为了建立精确有限元网格模型,分别开展了计算域尺度、网格大小等因素敏感性研究以及不同的湍流模型在直航和下潜上浮阻力计算中的适用性研究,并选取合适的湍流模型,通过与已有实验数据对比验证了数值模型的有效性,研究得到了不同工况下的数值计算网格模型和湍流模型。利用所建立的数值计算模型,分别对直航、多角度下潜上浮不同工况进行流体仿真,获得不同速度下的阻力及有效功率,通过流场云图分析了不同工况下的流场性能。(3)本文对潜水器的阻力性能进行研究,通过优化型线的方式获得了阻力较小的外形方案。从前进工况的流场云图和速度云图出发,研究了潜水器的阻力性能,将艏部型线作为优化目标,在Isight中搭建了CATIA-ICEM CFD-Fluent一体化优化平台,并采用了试验设计、克里格近似模型和自适应模拟退火优化算法相结合的优化方式,通过优化分析得到了优化后的潜水器外形模型,降低了运动阻力。(4)本文通过不同的研究方法对潜水器无动力下潜上浮运动进行研究,获得了潜水器无动力下潜上浮运动性能。以下潜运动作为计算工况,在不考虑舵力的情况下,分别将下潜运动看成二维平面内的匀速直线运动和具有加速度、角速度的二维平面运动,并对每种运动情况分别展开分析。当看成是匀速直线运动时,对压载铁三种不同的放置位置进行分析,通过建立运动方程并使用Matlab软件对每一种工况进行计算分析,得到下潜时间随压载铁重量等参数的变化关系,直观的表达出不同参数对于下潜的影响。看成是具有加速度和角速度的运动时,通过Matlab中的Simulink模块建立无动力下潜运动模型并进行仿真,得到了下潜运动轨迹、速度变化曲线等结果,获得了下潜运动性能。本文具体研究意义如下:(1)本文建立了一套适用性好的数值计算模型,不仅可以为载人潜水器的设计打下良好的基础,也可以为其他水下物体进行流体仿真提供一定的参考。(2)本文较全面的对潜水器前进后退和多角度下潜上浮各个工况进行数值模拟,得到了多航速下的阻力与有效功率,可以为潜水器后续进行推进系统配置提供理论依据。(3)本文通过所获得的潜水器三维模型,不仅改善了阻力性能,也可以对潜水器的设计具有一定的帮助。本文所设计的优化流程也可以为工程人员进行水下装备型线、结构等优化时提供一定的思路与方法。(4)本文对潜水器的无动力下潜运动进行了综合分析,为潜水器后续的潜浮设计提供了理论支撑。