随着人们对船舶经济性和环境的持续关注,船舶能耗水平越来越受到船东的重视,而船舶能耗与阻力直接相关,船舶在航行中根据流体介质的不同,其所受阻力可以分为水阻力和风阻力。对于主流商船船型,水阻力是船舶阻力的主要成分,因此在很长的一段时期内,船舶阻力研究的重点多集中于船舶水阻力。然而,随着对节能减排工作的不断深入,风阻力也成为当前研究的热点。不管是从船舶航行安全,还是从能效提升的角度来看,船舶风载荷的研究都具有十分重要的理论意义和实用价值。在采用经验公式及数值计算方法计算船舶风载荷的基础上,建立了船舶能耗仿真模型并开展了实船数据采集试验,研究了风载荷对船舶能耗的影响,量化了风阻对于船舶阻力及能耗的影响水平,开展了船舶上层建筑构型优化,以降低船舶风阻力。论文的主要研究工作如下:(1)研究了船舶风载荷计算方法。采用基于风洞试验的Isherwood、Fujiwara和Blendermann等3种经验公式以及FLUENT软件,计算了对象船舶在不同风向角下的风载荷系数,并将计算结果进行了对比和分析。研究结果表明,在风载荷计算中,FLUENT软件的计算结果与Blendermann方法的计算结果吻合程度最好,Blendermann方法在对内河游轮风载荷计算时准确度较高,采用的数值计算策略及网格形式可较好预报旅游船的风阻力。(2)研究了风阻对船舶阻力及油耗的影响。在分析内河船舶数据需求的基础上,开展了船舶能效数据采集系统的设计、设备选型与安装工作,构建了“凯娅”号旅游船的能耗数据采集系统,获得了重庆至上海航段的大量通航环境及能耗数据。采用Blendermann方法建立了风载荷模型,并根据船机浆匹配原理,通过船舶原理理论得到了主机油耗与各有关变量之间的数学模型,建立了船舶能耗仿真模型。由获得的实船数据及能耗仿真数据,重点分析了不同风速风向下,风阻对船舶总阻力及主机油耗的影响情况。研究结果表明,风速对船舶总阻力及船舶主机油耗都有较大影响,风向对阻力及油耗的影响同样不容忽视。(3)研究了船舶降风阻优化设计。在分析船舶上层建筑压力云图及流场信息的基础上,结合船舶实际情况,提出了3种优化减阻方案,并利用FLUENT软件对3种优化设计方案进行了数值模拟计算,从中选出最佳降阻构型,以降低船舶能耗。研究结果表明,通过对上层建筑角隅处的导流型设计,3种优化减阻方案都达到了降阻节油效果,在对象船舶经常遭遇的7 m/s风速下,风阻最大减少了11.1%,相应的油耗节省了0.4%左右。