船舶在浅水航道中航行时,随着水深与船舶吃水比的减小,船舶的运动特性会发生很大变化,如阻力增加、船速下降、船体下沉与纵倾等,这些现象都是浅水效应。发生浅水效应时水流对船舶的作用过程相当复杂,是航运的经典问题,但一直没有明确其影响机理。目前水流结构的精细研究已取得一些成果,但进展较为缓慢,鲜有涉及浅水航行方面的研究。而且西南水运主要依托的上游山区河流段,多有浅水区,上行困难,常发生由此造成的水上交通事故,浅水效应成为航运蓬勃发展的阻碍之一。浅水域船底水流结构及其阻力特性的研究有着丰富的实践意义和理论意义。本文基于高频PIV流速测量系统对浅水域船底的水流场采样,利用图像处理得到流场流速,进一步对流场进行时均和瞬态分析,得到浅水域船底水流结构特征,结合理论分析推导出阻力水平公式,计算分析水流结构对阻力特性影响,主要得到以下成果:1)对试验数据进行时均化处理,得到浅水域船底水流垂线流速和雷诺应力分布符合明渠均匀紊流趋势,但有所偏离,在船模边界流速梯度极大,构成了主要的阻力贡献区;槽底和船模边界以及船尾水流的紊动程度极高。2)基于瞬时流场分析得到浅水域船底水流不同区域的脉动流速都在时均流速上下波动。按照脉动速度的象限分区,得出Q2和Q4结构,尤其Q4,在浅水流场中占主导作用。Q4结构从带自由液面的明渠进入船模底部到回到明渠整个过程中,历了挤压拉伸再上扬的过程,在船尾变化剧烈。3)浅水域船底水流中有不同形态的涡结构。按形状有圆形涡、椭圆形涡、带状涡和不规则涡;按位置分在船模到槽底的上中下均有分布;按旋转方向有顺时针旋转涡和逆时针旋转涡;按倾斜方向分有水平涡、一三象限涡和二四象限涡。4)发夹涡在流场中普遍存在,形成主要原因是不同等速流体团之间的相互运动,形成强烈的流速剪切面从而形成涡旋;水深主要影响涡带的宽窄,吃水比愈小,整场发生涡旋概率愈大,而流速主要影响涡带的位置分布,傅汝德数偏小,小概率区偏下。5)在平板边界层理论基础上引入明槽尾流率公式,推导出适用于局部瞬态的阻力水平公式,利用公式计算后表明阻力在时间序列上呈脉动特征,高水平阻力和低水平阻力交替出现,吃水比小及水深傅汝德数大时以高水平阻力居多,对航行不利。