船舶操纵性是船舶重要的航行性能之一,涉及船舶航行的安全性和经济性。随着船舶向大型化发展,在船舶操纵过程中出现的一些问题引起了国内外研究人员的关注。一方面,集装箱船、滚装船等初稳性高较小的民用船舶以及驱逐舰、护卫舰等高速军用舰船在满舵操纵过程中通常伴随显著的横倾现象。大幅度的横倾会造成装载货物发生位移进而导致船舶稳性降低,在风、浪、流等环境力的作用下极易导致船舶倾覆事故的发生。另一方面,处于操纵状态的船舶,船体运动姿态的改变会使阻力增加及航速下降,进而导致螺旋桨负荷增高及推进效率降低。特别地,双桨双舵船还存在左、右舷螺旋桨负荷分配不均现象,这对于高速军用舰船尤为显著。双桨双舵船操纵状态下的螺旋桨负荷增高且两桨负荷存在差异的现象会导致轴系联接机构受力不均,容易造成轴系故障甚至对主机的使用寿命产生影响。船舶操纵过程中的横倾、主机负荷增加以及双桨双舵船两桨负荷分配不均的现象危及船舶航行与主机运行安全,需要对上述问题进行深入研究以建立相应的安全评估方法并采取应对措施。船舶操纵过程中的横倾姿态以及螺旋桨负荷变化与船舶水动力性能密切相关,涉及到操纵状态下的船-桨-舵干扰等问题。这些问题具有很高的复杂性,而传统的试验方法受限于技术与设备条件、经济成本等因素而无法进行深入研究。随着计算机技术和数值方法的发展,计算流体动力学(CFD)在船舶与海洋工程领域得到越来越广泛的应用,为研究复杂的船舶流动问题提供了有力工具。本博士学位论文基于CFD方法对双桨双舵船操纵状态下的水动力特性进行研究,并据此构建双桨双舵船四自由度操纵运动数学模型,从而对考虑横摇的船模四自由度操纵运动及操纵过程中螺旋桨负荷变化进行预报研究。针对双桨双舵船的四自由度操纵运动及螺旋桨负荷预报问题,选择能够考虑船-桨-舵干扰的MMG模型对该问题进行描述。通过对已有操纵运动数学模型进行分析和改进,获得了适用于描述双桨双舵船操纵运动特性的MMG模型结构。选取典型的双桨双舵船模ONRT为研究对象,采用CFD方法对系列船模试验进行数值模拟,研究了操纵状态下的船、桨、舵各部分水动力特性及流场细节,具体内容如下:(1)基于RANS方法的双桨双舵船操纵状态下船体水动力性能研究。对未带桨、舵的ONRT船模的斜拖试验、CMT试验以及横倾试验进行了数值模拟,计算得到的船体水动力及力矩与文献中的模型试验结果进行了对比验证。基于不同工况下的自由面波形以及船体绕流场分析,探讨了操纵状态下船体水动力作用机理;通过对不同工况下的水动力及力矩进行回归分析,获得了与横向速度、转首角速度以及横倾角有关的水动力导数,其结果显示出与模型试验数据较好的一致性。此外,对未带桨、舵的ONRT船模的横摇衰减试验进行了数值模拟,获得的横摇衰减曲线与文献中的模型试验结果吻合良好。通过对横摇衰减曲线以及船体绕流场的分析,探讨了舭龙骨、轴支架对船舶横摇运动的影响。采用单自由度横摇运动方程对模拟获得的横摇力矩、横摇角、横摇角速度以及角加速度的时历曲线进行回归分析,获得了附加横摇惯性矩以及横摇阻尼系数。(2)基于RANS方法的双桨双舵船操纵状态下螺旋桨水动力性能研究。对斜流工况下的ONRT螺旋桨敞水试验进行了数值模拟,并基于螺旋桨附近流场对横向来流影响下的螺旋桨水动力性能变化机理进行了分析。进一步地,为了探讨操纵状态下船体伴流对螺旋桨水动力性能的影响,对全附体ONRT船模的自航试验、斜拖试验以及CMT试验进行了数值模拟,并通过对操纵状态下标称伴流以及桨附近流场进行分析,探讨了操纵状态下船体伴流对船后桨性能产生影响的机理。基于数值模拟结果对操纵状态下的螺旋桨水动力进行了建模研究:采用实效伴流分数模型对操纵状态下的螺旋桨推力及扭矩进行描述,通过回归分析探讨不同实效伴流分数模型的适用性,建立了适用于双桨双舵船的操纵状态下实效伴流分数模型;此外,通过对螺旋桨侧向力与船体运动状态的关系进行线性回归,获得了螺旋桨侧向力模型参数。(3)基于RANS方法的双桨双舵船操纵状态下舵水动力性能研究。对全附体ONRT船模的舵力试验、斜拖试验以及CMT试验进行了数值模拟,获得了不同船体运动状态以及螺旋桨负荷条件下的舵水动力性能。基于船尾流场以及舵表面压力分布分析了操纵状态下船体伴流与螺旋桨尾流对船后舵产生的影响,并着重探讨了双桨双舵船左、右舷整流效应的差异性。基于双桨双舵船舵力模型对数值结果进行回归分析,获得了相应的舵模型参数,其结果与文献中的模型试验结果达到令人满意的一致性。通过基于CFD方法的系列模型试验数值模拟,建立了双桨双舵船四自由度MMG模型;采用4阶龙格-库塔法对该模型进行求解,对ONRT船模的回转试验及Z形试验进行了数值模拟,将模拟获得的船模操纵运动轨迹以及航速、漂角、转首角速度以及横摇角等运动参数时历曲线与文献中的自航模试验结果进行了对比,二者显示出较好的一致性。进一步地,考虑到船舶操纵过程中螺旋桨负荷变化与主机工作特性密切相关,将主机数学模型与所构建的操纵运动数学模型进行耦合,实现了考虑船-桨-机相互作用的船舶操纵运动数值模拟。通过螺旋桨转速恒定、扭矩恒定以及功率恒定三种主机控制策略下的船模回转及Z形试验数值模拟,探讨了主机控制策略对操纵过程中左、右螺旋桨负荷变化以及船舶操纵运动的影响。通过本文的研究,对双桨双舵船操纵过程中的船舶绕流场特性以及船-桨-舵干扰机理有了更深的认识,并验证了系统建模与CFD模拟相结合的方法在双桨双舵船四自由度操纵运动预报方面的有效性,为船舶设计过程中的操纵性能以及稳性安全评估提供了技术支持。而且,通过考虑船-桨-机相互作用的自航模试验数值模拟,揭示了双桨双舵船操纵过程中螺旋桨负荷变化及分配规律,为船舶主机设计及选型提供了参考,有益于提高船-机-桨系统的整体设计水平。