准确测量波浪场演化对于海洋结构物的水动力研究十分重要。本文基于双目立体视觉建立了一套用于测量室内波浪的图像识别方法，以轻质泡沫作为示踪粒子标记波面以获得具有丰富纹理的波面图像，根据极线约束矫正图像，使用阈值分割避免光照不均和水底反射的干扰，使用GPU加速的立体视觉匹配算法，实现波浪图像的实时立体匹配，重建出波面的三维点云与网格模型。通过对图像序列的重建，提取出的波浪时历与浪高仪的测量结果基本一致，波高以及周期值的吻合性良好。结果表明，该方法可以准确测量实验室内的三维波浪场，捕捉瞬时波浪演化，并可提供实时的监控。

风帆助航是船舶领域减少二氧化碳排放的有效方式之一。本文设计了一种由六面横截面为NACA0018翼型的硬帆组成的风帆阵列，采用数值仿真的方法，在迎风、侧风和顺风三种工况下分析了每面帆的升、阻力特性，通过与单帆对比，探究了帆间干扰对风帆推进性能的影响规律。将实验设计法与方差分析法相结合，评估了多个独立几何参数对风帆阵列推进性能的影响水平。结果表明，独立参数的显著性水平高度依赖于表观风向，并且通过改变风帆布局和采用非一致攻角，可获得比单一攻角时更好的推进性能。该研究有助于寻找影响多帆推进系统推力性能的主要参数，为多帆推进的全局化操纵提供数据支持。

针对某船用大侧斜螺旋桨（HSP），采用多场同步测量系统，在空泡水筒内开展螺旋桨空泡演化及其脉动压力特性试验研究，探究进速系数和空化数对螺旋桨空泡脉动压力特性的影响。试验结果表明：螺旋桨出现的空泡类型包括叶背空泡、叶面空泡和梢涡空泡，低频脉动压力与空泡体积振荡相关。在无空泡情况下，对比各阶叶频分量对脉动压力的影响，一阶叶频为主要分量，可忽略高阶叶频分量的幅值；空泡产生后，非定常空泡演化对螺旋桨脉动压力性能影响较大，脉动压力出现明显高阶叶频分量，同时主频脉动压力幅值显著增加，空泡发展过程越剧烈，变化越显著；当出现不稳定的梢涡空泡时，脉动压力高阶叶频分量明显增大。

本文针对一型浸没式喷水推进船模和一型螺旋桨对标母型船模，开展推进器敞水试验、船体阻力试验与自航试验研究，系统分析两种推进方式对应的推进器本体、“船体-推进器”系统推进性能的差异与变化特性。研究结果表明：（1）浸没式喷水推进器模型尺度下的敞水效率与螺旋桨相当，最高效率达到0.72，且高效工况区范围更宽；（2）相较螺旋桨推进船，浸没式喷水推进船的艉部附体少、布置简洁，显著减小了附体引起的船体阻力增加;（3）浸没式喷水推进船模在Fr = 0.20与Fr = 0.26二种典型工况自航条件下的推进效率分别为64.7%和66.1%，分别高出螺旋桨推进对标船模1.2和5.3个百分点，对应于浸没式喷水推进器的主机功率较螺旋桨分别下降9.41%和15.4%，浸没式喷水推进船具有更好的快速性与节能效果。该研究可为高效低噪的高速排水型船舶新型泵类推进器研制及“船体-推进器”一体化优化设计提供有益的技术参考。

喷水推进泵广泛应用于船舶动力等领域，其内部的空化流动特性对于推进性能具有重要影响。为了对空化流场中的能量损失进行定量评价，基于熵产理论对某轴流式喷水推进泵进行空化特性研究。由于叶顶间隙涡空化在轴流式推进泵中十分典型，数值方法中考虑局部涡流特性，采用旋转修正的SST-CC湍流模型和基于涡识别修正的空化模型，并根据模型泵的参考实验验证数值计算方法。研究结果表明：在不同空化系数条件下，随着空化程度的加剧，熵产值的增大反映了推进泵能量损失的增大，对应效率曲线的下降，泵内总熵产的变化规律与其功率特性基本一致。分析推进泵各段几何区域的能量损失可见，叶轮段的熵产占比最高，尤以湍流耗散和壁面耗散更为显著，这与叶轮叶顶间隙的涡流和空化流场密切相关。研究叶轮叶顶的流动特征可见，在不同空化条件下，叶顶间隙泄漏涡区域引发了旋涡空化，但显著的能量耗散出现在泄漏涡的外缘及附近壁面区域，而叶片表面的附着空化涡则是湍流耗散的主要来源。

本文针对液舱运动与流体晃荡耦合运动问题，采用基于Hilber-Hughes-Taylor（HHT）格式的隐式直接积分法求解液舱运动，应用VOF法捕捉流体晃荡自由表面运动，建立液舱运动与流体晃荡双向耦合迭代算法。将算法应用到某转动液舱系统的模型试验中，通过数值计算结果与试验结果的比较验证算法的有效性。本文建立的分析方法可为液舱运动与流体晃动耦合运动问题提供一种有效的分析方法。

半潜式平台在进行动力定位作业时，由于其水线面面积较小而初稳性高较低，其垂向运动（横摇、纵摇、垂荡）易受到推进器法向力作用的影响。基于此，提出一种基于推进器偏置的推力分配模式，旨在合理利用推进器的法向力抑制平台垂向运动，而不影响平台水平面定位功能。在海洋工程水池开展半潜式平台的动力定位模型试验，对比和分析不同载荷工况及推进器偏置模式下平台的六自由度运动响应。结果表明，推进器偏置策略能够基本保证水平面定位精度，并显著减小平台垂向运动在其固有频率附近的响应幅值，在该试验工况下，功率谱密度（PSD）峰值减小高达54.7%，对波频区间的运动影响则较小。该研究结果可为半潜平台垂向运动抑制提供新思路。

为研究水下结构体俯仰与平动耦合运动对其水压场的影响，利用势流理论分析结构体耦合运动的水压场，并借助重叠网格技术分别对结构体在平动、存在攻角的平动、俯仰运动、俯仰平动耦合四种运动状态下的水压场进行分析。以不同轴长比的椭圆型结构为研究对象，分析不同振荡角速度下的水压场。结果表明，椭圆型结构的俯仰运动会使水压场曲线的负压峰随时间变化产生偏移，俯仰振荡的角度越大，负压峰偏移的程度也越大。此外，椭圆型结构的轴长比也会影响曲线的偏移程度。椭圆型结构的俯仰振荡引起的水压场的频谱具有一个甚低频谱峰，该谱峰峰值对应的频率与椭圆型结构振荡的频率一致。

推进机理及游动性能研究对鱼类洄游通道建设具有重要意义。利用计算流体动力学方法结合重叠网格技术，通过编译控制鱼体摆动的UDF程序，对二维鱼类自主游动进行模拟，分析鱼体压力场分布及反卡门涡街结构演化过程与参数变化情况，开展不同摆尾频率、摆尾幅度、鱼体体形及尾鳍尺寸等参数下鱼类游动性能及鱼体受力的变化情况，揭示鱼类自主游动过程中的游动机理。研究结果表明：（1）鱼体尾鳍周期性往复摆动下漩涡脱落形成反卡门涡街，是鱼体前进推力的主要来源，且随着摆尾频率、摆尾幅度的增加，鱼体尾部涡街长度、涡街强度逐渐增加，而摆尾幅度对涡街宽度的影响较大；（2）随着摆尾频率、摆尾幅度的增加，纵向平均合力系数和最大侧向力系数均增大，使得鱼类获得较大的游动速度，但摆尾频率改变时平均合力系数和游动速度的增加更为明显，摆尾幅度改变时最大侧向力系数的增加更为明显；（3）随着体宽指数的增加，纵向平均合力系数逐渐减小，需克服的游动阻力增加，使得鱼类游动速度逐渐减小，而最大侧向力系数逐渐增加；（4）随着尾鳍指数的增加，纵向平均合力系数和最大侧向力系数均增大，使得鱼类游动速度逐渐增大。研究成果可为鱼类生境恢复营造提供支撑。

系泊系统是浮式平台装备的关键结构，对保障平台的安全生产具有重要作用，及时了解和评估系泊系统的安全状态和风险等级具有重要意义。针对在平台现场作业环境下对系泊链实时在位检测的困难，本文提出一种基于现场监测信息的悬链线式系泊系统可靠性评估方法，相较于传统的蒙特卡洛模拟，本文方法可以大大提高计算效率，以满足可靠性实时评估的要求。首先，基于悬链线方程引入海流载荷的影响，开展系泊链受力行为的仿真分析；进而，提出基于改进蒙特卡洛（EMC，Enhanced Monte Carlo）方法的系泊强度可靠性与疲劳可靠性评估方法；最后，基于南海某半潜式平台的实测数据，对平台的系泊链可靠性进行评估，同时考虑腐蚀的影响。结果表明，本文所提出的系泊可靠性实时评估方法可以为悬链线式系泊系统的在位安全评估与维护提供指导。

船舶结构和构件在建造过程中，不可避免地会使用各类具有脆性特性的高强材料。为了研究船用脆性材料的断裂和裂纹扩展行为，本文基于新兴的近场动力学方法，提出一种有限元与近场动力学的耦合模型。首先，在近场动力学的基础上考虑长程力衰减效应修正；其次，采用共享节点耦合法将有限元与改进的近场动力学进行耦合，并推导出一种新的断裂准则。最后，通过三个变形和破坏实例验证耦合模型的准确性。结果表明，耦合模型极大提高了传统近场动力学模型的计算精度，消除了近场动力学的“边界效应”，同时也克服了有限元在处理非连续时面临的奇异性问题。耦合模型的计算结果与试验结果吻合较好，其用于研究船用脆性材料的断裂问题是可行的。

船舶结构强度试验过程中，传统的离散点变形测量技术难以获得结构的全场变形数据，因而无法有效揭示结构的渐进破坏过程。本文基于数字图像相关和三维激光扫描原理，提出适用于船舶板架结构变形测量的位移形函数与子区相关性准则，发展定量可控的数字散斑场制作方法，形成船舶板架结构几何形貌测量方法，建立船舶板架结构变形场测量技术；在此基础上，开展船舶板架结构模型变形场演化过程测量试验，获得模型在纵向压缩载荷所用下的结构变形场，尤其是模型结构临界状态前后的失效演化行为，揭示船舶板架结构变形场的时空演化规律，可为实船结构的失效模式识别提供基础测量技术手段。

采用边界元方法求解频域流固耦合问题时，在内域虚拟流场的共振频率处会出现不规则频率问题，在这些不规则频率处辐射声场的求解常常出现较大波动。为研究实尺度潜艇的水下振动声辐射，本文建立基于Suboff艇型的轴系-艇体耦合系统。基于有限元/边界元法，分别采用/不采用消除不规则频率的封闭虚拟阻抗曲面（CVIS）法，计算轴系-艇体耦合系统的中低频段振动及辐射噪声。结果表明：（1）对于湿表面外形较复杂的细长艇体，同样会出现不规则频率，甚至连成“不规则频带”；（2）若不消除不规则频率，不规则频率处的辐射声压级有较大误差，在深海环境中可以“污染”到远场会聚区处；（3）对于主体结构为细长圆柱壳的艇形，首个不规则频率可参照与之尺度相当的细长圆柱壳不规则频率的表达式得出，首个无量纲不规则频率约为ka=2.4。

在满足结构强度要求的焊接工艺规范下，焊接线能量和焊接顺序会影响船舶上典型双向加筋板结构焊接残余应力的大小与分布，从而影响其声振特性。为探究焊接工艺参数对典型双向加筋板结构声振特性的影响规律，采用数值与试验相结合的方法验证焊接结构试验方法的准确性，开展不同焊接线能量和焊接顺序下加筋板结构模态、水下振动和声辐射试验研究。试验结果表明：在相同焊接顺序下，不同的焊接线能量对薄板的固有频率影响较大，对厚板的固有频率影响相对较小；对于厚板加筋结构而言，在相同焊接顺序下，随着焊接线能量的增加，对固有频率的影响呈现先减小、后增大的趋势，相同频段内的振动加速度和辐射声压总级也呈现先减小、后增大的趋势；在对称焊接顺序下，焊接电流为200 A，焊接电压为25 V，焊接速度为3.02~3.06 mm/s，焊接线能量为167 J/cm时，结构的声振特性最优。本研究可为船舶与海洋结构物声隐身性的低噪声工艺设计提供指导。