船舶在海上航行时保持航速的能力是在设计阶段就必须考虑的重要因素。相较于静水中航行的船舶,在波浪中航行的船舶所受到的阻力会有所增加,其中由于波浪和船体相互作用所产生的阻力增加值就是波浪增阻,亦称船体波阻增加。它不仅影响着船舶在实际海况中以设计航速航行的性能,也是船舶动力装置和推进系统选取的重要依据。当前,在国际海事组织(IMO)要求造船业强制实施的“能效设计指数”(EEDI)的计算标准中,船舶在波浪中的阻力增加是其中气象因子f_w的重要组成部分。理论上来说,船体波阻增加是船舶耐波性范畴的一种二阶力,成因复杂,对流场的理论计算精度要求很高。因此,深入研究船体波阻增加,并在此基础上发展出一种能够快速有效地对船舶在波浪中的阻力增加进行计算和分析的方法具有重要的理论和工程实际意义。航行船舶在波浪中运动响应和一阶水动力的精确计算是准确预报船舶波浪增阻的前提。目前对波浪中船体运动和受力的计算,工程上主要采用切片理论和三维无航速脉动源(3DP)格林函数法结合航速修正的近似方法,尚未有一套成熟稳定的波浪中航行船舶频域水动力计算的商用软件,究其原因主要是理论计算采用的格林函数法的核心,三维移动脉动源(3DTP)及其偏导数的积分核高频振荡,还没有明确有效的算法保证计算的稳定性和准确性。论文针对满足三维有航速线性自由面条件的三维移动脉动源格林函数,及应用该格林函数对波浪中航行的船舶进行频域水动力计算实现,分析了格林函数及其偏导数在水线及面元积分的计算难点,深入研究了Havelock型移动脉动点源(3DTP-PS)格林函数的特性,采用了LOBATTO法则和分布积分法在理论和数值两个方面处理并解决了计算奇异性。通过交换物理空间积分和Fourier空间积分的次序,提出并推导了分布在水平线段上移动脉动源格林函数(3DTP-LS)的半解析单重积分表达。相较于3DTP-PS的表达,3DTP-LS积分核中无穷大乘数降低了一阶,偏导数中的奇异项也消失了,对应的数值计算精度高、收敛快、稳定性强。将其应用于格林函数水线积分,克服了传统高斯积分法在计算水线积分时效率低精度差的缺点。为了计算格林函数及其偏导数在面元上的积分,论文基于3DTP-LS提出了一种新的离散格式。数值计算表明,场点和源点均靠近自由面时,这种格式计算稳定,比高斯积分法效率更高误差更小。根据不同的成因,航行船舶波浪增阻分为辐射增阻和绕射增阻两个部分。根据辐射能量原理,论文建立了辐射能量和波浪增阻的联系,提出了计算船体辐射增阻的三维辐射能量法。相较于传统基于切片理论的辐射增阻表达,该方法将船舶的波浪增阻与整船的三维频域水动力系数及运动响应直接联系起来了,表达上更为简单和实用。采用二阶力定常部分的计算公式,计算了绕射引起的阻力增加,理论给出并数值实现了一种可以在全频率范围内直接计算船舶在波浪中阻力增加的方法。根据上述方法,论文研究并开发了波浪中航行船舶的运动响应和波浪增阻的计算预报软件ShipRaw,并对数学船型Wigley III、细长型S175集装箱船和肥大型船KVLCC2开展了水动力系数、运动响应和波浪增阻等一系列的结果验证、波阻成分分析和船型适应性研究。各型船体水动力系数计算结果与试验吻合良好,Wigley III、细长型S175、肥大型船舶波浪增阻结果令人满意,仅肥大型船舶在高频段短波增阻的计算结果略低于试验数据。ShipRaw能给出全频率上辐射增阻和绕射增阻所占的比重,能够准确给出斜浪规则波中航行船舶的阻力增加。为弥补肥大型船舶短波增阻精度的不足,论文提出了结合经验公式的混合计算方法,通过对KVLCC2和具有两种不同艏部形状的油船的波浪增阻计算,验证了混合法改善肥大型船舶短波增阻的有效性。同时针对不同海况,采用谱分析方法,开展了航行船舶阻力增加的预报研究。对S175集装箱船在迎浪和斜浪不规则波中航行时的波浪增阻进行了预报与分析。数值预报结果与试验吻合良好,并进一步研究了不规则波中有义波高、平均周期、航速、波浪谱、浪向角等因素对船体波阻增加平均值的影响。KVLCC2波阻增加的预报结果表明肥大型船在规则波中短波增阻的计算结果对其不规则波中波阻增加的预报有着不可忽视的影响。