在船舶水动力学领域,快速性是船舶的一个重要性能指标。船舶快速性直接影响着商船的运营成本和军舰的战斗力及生存能力,为满足人类对海洋资源开发利用、未来航运业及海战的需求,对军民用船舶的快速性能提出新指标和新要求,因此寻找一种快速有效而精确的方法预报船舶快速性能十分重要。船舶快速性能包括船舶阻力性能和推进性能两个方面。传统对船舶阻力性能和推进性能的预报主要有模型试验方法和基于势流的理论方法。随着计算机技术的进步和数值计算方法的快速发展,基于粘性流求解雷诺平均N-S方程的RANS法在船舶水动力性能设计评估中得到广泛应用,与物理模型试验形成良性的互补和互动,弥补了势流理论忽略粘性对船体绕流场影响的局限。欧盟于2004年启动虚拟试验水池计划,提出全面的船舶水动力性能虚拟试验策略架构,加速船舶RANS法虚拟试验水池技术的研究进程。现阶段国内外基于RANS法虚拟试验水池技术的船舶快速性预报已取得创新性成果,但其在应用研究方面与船舶RANS法的长远目标还存在较大差距,需要建立更多的数值计算方法来推进和完善。本文以船舶RANS法虚拟试验水池技术为基础,系统地建立了用于求解船体总阻力、兴波阻力、组合推进装置水动力和船、桨、舵互相干扰的实船功率及航速等复杂水动力问题的数值模拟方法;在此基础上,开展了船舶快速性预报的验证研究。(1)为完善船舶RANS法预报船体阻力性能,推动船舶RANS法向实用化方向发展,开展网格基本尺寸变化、边界层第一层网格高度、湍流模型适用性和船体阻力不确定度分析的研究,构建一套适合于常规船型阻力性能预报的网格划分方法,考察和选取能胜任船体阻力性能预报的较佳湍流封闭模型。(2)基于RANS法船舶阻力性能预报的可靠度和准确性,通过构建虚拟试验水池,提出一种基于三因次RANS确定形状因子1+K和求解船体兴波阻力的数值计算方法,该方法考虑粘性与兴波之间的相互影响,突破EFD法确定形状因子1+K过程中存在航速限制、船体周围流场流态不稳和兴波干扰等局限;同时为与基于势流理论的兴波阻力计算结果比较,开发Rankine源法兴波阻力数值计算程序。结合两艘标准试验船型的计算验证本文所提出的三因次RANS法预报船体兴波阻力的准确性和可行性,并通过数值结果比较表明三因次RANS法相比线性化自由面条件Rankine源法具有优越性。(3)为确定船舶推进装置水动力性能预报的可靠度和准确性,基于RANS法构建虚拟试验水池,开展湍流模型适用性和船舶推进性能不确定度分析,为组合推进装置水动力性能的预报研究奠定基础。(4)基于RANS法开展组合推进装置的较佳水动力性能参数选取的预报研究,通过构建虚拟试验水池对毂帽鳍螺旋桨、串列螺旋桨和对转螺旋桨进行实例计算分析,获取组合推进装置较佳水动力性能参数,并分析数值尾流场以研究组合推进装置水动力性能作用机理,为工程设计应用提供有价值的参考,同时为组合推进装置水动力性能参数的预报选取提供一种重要的研究手段和方法。(5)开展船、桨、舵互相干扰的船舶快速性预报研究,通过构建虚拟试验水池,提出一种基于二因次RANS预报实船功率及航速性能的方法。结合实用船型算例验证本文所提出的二因次RANS法预报实船功率及航速性能的准确性和可行性,并分析数值流场的信息变化以研究船、桨、舵互相干扰的快速性作用机理。综上所述,本文基于上述研究内容构建虚拟试验平台,系统地开展数值模拟计算和验证分析,为RANS法虚拟试验水池的船舶快速性预报研究提供可靠的数值计算方法和实用的仿真技术。