本文目标是建立能够进行具有自由表面的三维水动力数值模拟和流场数据后处理的软件系统。首先,基于非静压假设建立自由表面三维水动力数学模型,三维模型采用平面非结构网格、垂向σ坐标分层网格形式,以有限体积和有限差分混合法离散并求解方程,通过程序实现对模型方程的数值求解。然后,编制程序实现对三维流场的仿真可视化,形成能同时进行数值模拟和数据后处理的三维水动力数值模拟软件系统。基于时均化雷诺方程和标准κ—ε紊流模型方程构建封闭模型方程组,利用水流具有自由表面、不可压缩等特点,增加约束,建立水动力数学模型。采用半隐、分步求解模式对模型方程进行求解：首先求解静压假设下的雷诺方程,然后根据不可压连续方程计算非静压校正项,对静压计算结果进行非静压修正以得到最终结果；采用有限体积方法和有限差分法混合方式离散控制方程、用满足自由表面运动学边界条件的水位控制方程来计算新时刻自由表面位置,对流项和水平粘性项的计算采用半隐方法,这些技巧的使用保证了方程求解的简便和格式的稳定。通过算例验证了三维模型的正确性。采用微软WPF三维图形平台和立体影像技术,编制软件实现了对三维流场的立体式动态仿真模拟,软件还可以实现对三维表面流场、截面流场、波浪场的实时动态可视化,同时能够对压强、温度、浓度等标量场进行模拟。对三维流场的仿真模拟,提出用立体影像原理及制作方法,实现对三维流场的拉格朗日法仿真模拟,使三维场景可以分层次、有景深地进行呈现,突破了二维显示屏幕对三维场景显示的局限,使得三维场景建立具有了实际意义,是一条行之有效的三维流场模拟途径。截面流场模拟采用高效算法实现任意走向垂直截面、任意复杂地形下水平截面的获取；采用将截面放置于三维场景中,以垂直投影法显示截面流场的方式,使截面流场仿真也具有了三维感。表面流场模拟不仅能够将流速质点漂浮于水面进行表层流场仿真,而且可以显示动态水面,使得有水位剧烈变化的模拟更加形象,它与三维地形衬托下实现二维流场不同,可表现出三维表面流的垂向特性。轻量级的WPF三维图形平台加上高效的数据处理代码和多线程编程技术,使得可视化系统运行效率极高,即使在普通的双核计算机上也能有很好的运行性能。