船舶在波浪中航行,较高的航速会使波浪载荷变大,威胁船体结构安全。所以,开展精确高效地预报有航速船舶运动与波浪载荷响应方法的研究对船舶设计具有非常重要的意义。目前,预报有航速船舶运动与波浪载荷的方法主要有Rankine源方法和有航速格林函数方法。其中,Rankine源形式简单,自由面条件选取灵活,可以成功的应用于有航速船舶水动力问题的计算中。但是Rankine源方法需要在自由面上划分大量的网格,使计算效率较低,同时由于引入数值海岸技术满足远方辐射条件,采用不同的数值处理方法得到的结果不同。有航速格林函数方法只需要在物面及水线上积分,然而其形式复杂,当场点和源点都在水线上时,存在奇异性和高振荡性问题。为了充分利用两种格林函数方法的优点,而避免其缺点,同时考虑到频域方法能够更方便的应用于船舶设计中,本文对基于无网格圆柱控制面的频域匹配方法预报有航速排水型船舶的运动与波浪载荷进行了研究。提出采用无网格圆柱面作为控制面,将整个流场划分为内域和外域,内域采用Rankine源,自由面仅在内域划分网格,提高了计算效率。外域采用有航速格林函数,无需设置数值海岸。同时由于控制面是无网格的,可以解析求解有航速格林函数在控制面水线上的积分,避免了奇异性和高振荡性带来的数值计算困难。本文主要从以下几个方面进行了研究。1.频域匹配方法的理论研究对船舶在波浪中航行的流场进行了分析,推导得到了线性化的边界条件。论述了频域匹配方法的理论体系,提出采用解析的圆柱面作为控制面,使其垂向变量与周向变量相互独立,以减小计算难度。给出了研究基于解析圆柱控制面的频域匹配方法的技术路线。2.外域流场求解方法研究提出了应用拉盖尔傅里叶级数解析表达解析圆柱控制面上的速度势及其法向导数,并且给出了级数展开系数的计算方法。在外域应用满足自由面条件的格林函数,基于格林第二公式建立了积分方程,得到了控制面上速度势及其法向导数级数展开系数之间的关系DN。可将其作为求解内域流场时控制面上的边界条件,建立了流场内域和外域之间的联系。3.有航速格林函数积分的计算DN矩阵中包含有航速格林函数在圆柱控制面上的积分,为了简化DN的计算,首次提出了在柱坐标系下有航速格林函数积分的计算方法,对于由双重傅里叶积分表达的有航速格林函数,不同于传统的先对波数积分,本文首先应用留数定理解析计算极坐标积分,再采用数值方法计算关于波数的积分,并通过减去再加上可以解析求解的奇异项消除了波数积分中的弱奇异性。4.内域流场求解方法研究应用三次B样条技术计算了内域自由面上速度势的高阶导数,将内域自由面条件中的未知数由速度势及其高阶导数转化为三次B样条控制点。在内域应用简单格林函数,根据格林第二公式,建立了积分方程组。由内域边界条件和DN关系得到了流场的速度势。5.频域匹配方法数值计算与结果验证给出了本文频域匹配方法的数值计算过程,并应用Fortran90语言完全自主地编写了一套预报有航速船舶运动与波浪载荷的软件。分别以半球,驳船,有航速潜球和A、B、C船为例,计算了其水动力系数、运动与波浪载荷,将结果与解析解、软件计算结果或模型试验结果进行了对比分析,验证了本文数值方法的正确性。