随着计算机硬件水平的提升和现代数值算法的改进,船舶性能数值水池技术已然成为船舶研究和设计中不可或缺的重要手段。与物理试验水池相比较,一方面,数值水池周期短,消耗资源少且成本低,符合社会低碳要求;另一方面,数值水池的应用能够推进船舶设计由传统的经验设计模式逐步向全新的知识化设计模式转化,从而摆脱对船舶设计工程师经验、母型船等的强烈依赖。同时,船舶数值水池能够将性能预报、分析评估融入新型船舶的设计中,实现优化设计,这是物理试验水池难以企及的。本文深入系统地阐述了基于数值水池的船舶水动力性能预报研究历程与进展,以黏性RANS方程的绕流场数值求解方法为基础,针对船舶静水阻力精确预报、耐波性预报及操纵性预报关键技术和难点开展研究。具体的工作内容包括有:(1)详细地介绍了中低速船舶静水阻力精确预报存在的难点,并以某型带球鼻艏的海洋环境监测船(0.1<Fr<0.4)为研究对象,就各种难点提出相应的解决方案。数值模拟基于动态平衡方法,计及流体黏性和船体航行姿态的影响精确预报船舶静水阻力;网格划分过程中采用由体到面的网格生成技术及八叉树网格拆分方法,其适用于船舶绕流场的数值模拟;将激励盘螺旋桨应用于数值船模,使数值船模航行状态与模型实验相同。对比分析数值模拟结果与模型试验数据,船舶静水阻力最大误差不超过1.7%,船舶绕流场信息亦十分接近。论文提出的数值模拟方案能够精确预报中低速船舶静水阻力。(2)船舶在高速运动过程中,航行姿态较中低速船舶变化明显,基于动网格技术数值求解高速运动船舶静水阻力时,船体壁面处细小网格会随着船体姿态的变化发生较大的扭曲变形,网格质量随之降低,从而导致数值计算精度下降、数值发散等问题。以某型穿浪双体船(0.6<Fr<1.0)为研究对象,对于高速运动船舶静水阻力的精确预报,提出了一种新的基于分步数值计算的方法,在动态平衡方法的基础上,将船体航行姿态和阻力分步进行预报。首先开展数值计算粗估船体高速运动稳定后的平衡姿态;然后将粗估得到的船体平衡姿态作为初始状态,计及流体黏性和船体航行姿态的影响,再次进行数值计算精确预报船体直航阻力。由于粗估得到的船体高速运动稳定后的平衡姿态与最终平衡姿态十分接近,采用动网格技术进行数值计算时,并不会造成由于网格扭曲变形过大产生的数值计算精度降低和数值发散等问题。论文提出的数值计算方法能够将高速船舶静水阻力预报精度控制在5%以内,其为高速及超高速船舶的阻力精确预报提供了新的途径。(3)现阶段船舶耐波性数值模拟主要基于势流理论,或者对于船体的运动还只是给定速度的强迫振荡运动,是预先指定船舶运动的水动力问题数值求解,并未实现船体运动与流场的耦合。本文基于CFD多相流理论与动网格技术,采用同时求解黏性RANS方程与船体运动方程的方式,实现了Wigley-III型船模垂荡和纵摇两自由度运动与流场的耦合求解。(4)以KVLCC2型船模为研究对象,依据Abkowitz非线性操纵运动数学模型、小振幅平面运动理论建立平面运动机构试验水动力模型,基于CFD多相流理论和动网格技术构建船舶纯横荡、纯艏摇操纵性数值水池。数值模拟结果与试验数据在相位变化方面吻合较好,且幅值精度较高,很好地验证了数值模拟船模平面运动机构试验的可行性和有效性。