本文以某80 000吨级散货船为优化对象，应用基于融合和区域特征分析的两种新船型几何设计技术，结合船舶CFD阻力和自航评估技术，开展以设计吃水下快速性能为目标的船型设计和性能分析研究。整个设计过程以参考船为设计起点，从减小船体阻力、改善兴波和艉部伴流的角度入手，分别开展船型艏部和艉部的型线自动变形设计，对比分析改型方案在同一模型尺度下的CFD数值模拟评估结果，并获得快速性能优秀的船型设计方案。最后，通过静水中的快速性模型试验，对设计工况下的收益效果进行验证，结果表明，相比于设计原型，最终优化船型在航速为14.0 kn时的实船预报收到功率下降了约5.6%。

本文基于离散模块思想，提出一种求解弹性浮体二阶平均漂移力的数值方法。首先将连续弹性浮体离散为弹性梁连接的刚性模块系统，实现弹性梁刚度和各模块水动力信息的耦合，在频域内求解浮体一阶水弹性响应。然后利用二阶多体水动力理论，并考虑计及结构弹性变形影响后的各模块一阶运动信息，获得各刚性模块上的二阶平均漂移力。最后，利用该方法求解自由柔性驳船的平均漂移力，并与基于模态叠加思想的三维水弹性理论的计算结果进行对比验证。此外，由于本文方法在水动力求解方面的离散特性，该方法可直接拓展到非均匀波浪场下浮体的水弹性响应分析。

VOF（Volume of Fluid）方法由于其良好的守恒性和网格适应性，且具有计算资源需求相对较小等优点，成为船舶水动力学领域自由面流动CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟的主流方法。但原始的VOF方法存在较为严重的界面扩散问题，导致模拟的界面厚度过大、空间分辨率不够，进而影响流场相关变量的计算精度，这一问题在非定常自由面流动模拟中尤为明显。本文针对上述问题，通过在VOF控制方程中引入人工对流项以达到抑制界面扩散、压缩界面厚度的目的，并采用隐式离散人工对流项的方式提高计算稳定性，形成了反扩散VOF算法。经Zalesak和剪切场等经典算例在不同数量网格下的测试验证，表明反扩散VOF算法能够大幅压缩界面厚度，同时明显减小质量误差。随后的三维无障碍溃坝算例和破舱进水算例，进一步证明了反扩散VOF算法在实际非定常流动模拟中能够更好地捕捉自由面并提高计算精度。

本文基于流固耦合动力学理论，建立二维液舱晃荡的光滑粒子流体动力学模型，并引入Dummy边界处理固定边界问题。首先，与实验结果对比验证模型的有效性；随后，分析不同横摇激励、多种载液率下自由液面的运动规律，研究液体抨击舱壁产生的压力特性；在此基础上，设计单一隔板和组合隔板等不同制荡结构，探究共振频率、30%载液率下，自由液面形态和壁面冲击压力的特性。结果表明：在共振频率下，横摇幅值对压力峰值的影响最大；随着载液率的增加，壁面抨击压力双峰特性逐渐消失；当隔板尺度较小时，T型隔板更有利于降低压力的整体水平；双T型隔板可有效降低舱底冲击。

传统双稳态波能装置已被证实在规则波中可以通过添加“自适应”特性，来解决由阱内振荡引起的低能量吸收问题。本文以自适应双稳态浮子式波浪能发电装置为研究对象，探讨装置在不规则波中的能量捕获性能情况。通过四阶龙格库塔法数值求解装置的运动控制方程，探究在不同装置参数下，自适应双稳态浮子式波浪能发电装置和传统双稳态浮子式波浪能发电装置以及线性浮子式波浪能发电装置的能量捕获性能表现。结果表明，选取适当的装置参数可以使自适应双稳态浮子式波浪能发电装置显著提升能量捕获性能，而且与线性和常规双稳装置相比，更适应于实际海况中波浪能量捕获。

为考虑孔隙介质对波浪传播变形带来的衰减效应，在渗透介质流体的控制方程中引入线性阻力、非线性阻力和惯性力。自由表面采用精确的运动学和动力学边界条件，水底边界条件采用精确的动力学边界条件，自由水体和渗透介质水体之间满足垂向速度连续、水平速度满足动量相等条件。首先推导最高空间导数为3的以两组计算速度表达的适合单层渗透海床波浪运动的三维Boussinesq型水波方程。其次，对新给出的方程进行傅里叶分析，并将方程的相速度及衰减率与Stokes线性波的解析解进行比较。在1%误差下，相对水深h₂/h₁=0.1~10，方程的解析解在无因次水深h₁/L<1.0（深水波长L=gT²/（2π））范围内与Stokes线性波的解析解都有较好的吻合，这超过了历史文献中任一个Boussinesq型水波方程的适用范围。进而建立立面二维水槽数值模型，并利用预报-校正-迭代的有限差分方法对数值模型进行求解，在变量对时间的导数求解中选择混合四阶Adams-Bashforth-Moulton格式。最后，利用数值模拟再现波浪在渗透地形上的传播变形，并与相关试验结果进行比较，二者吻合程度较高。

为实现圆柱涡激振动的高效抑制，本文基于控制杆-强制旋转组合结构讨论圆柱涡激振动的抑制问题。对低雷诺数下的圆柱涡激振动进行数值模拟研究，对比分析不同控制杆数量和圆柱转速比下的流场特性、振动响应和流体力响应等。结果表明：与裸圆柱相比，控制杆具有一定的涡激振动抑制效果；对于三、五控制杆，通过调节转速比，可以实现最高98%的圆柱振幅抑制（对三控制杆，转速比为0.4~0.6；对五控制杆，转速比为0~0.2）；圆柱振幅抑制与圆柱减阻区间相同；对于四、六控制杆，旋转对振幅抑制的影响较小；主圆柱表面的漩涡脱落和漩涡的合并会引起流体力系数的高幅波动，导致圆柱高振幅响应；没有漩涡合并和圆柱表面脱涡不明显时，流体力系数则无明显波动，圆柱振幅也显著降低。

水下稳性是深海载人潜水器重要的总体性能之一，通过稳心高（GB）衡量潜水器的稳性，其指标大小与潜水器的操纵和安全息息相关。潜水器在运动过程中，海洋参数随深度变化以及潜水器自身压载变化引起潜水器稳心高发生变化。本文以稳心高基本公式为基础，结合潜水器耐压结构、浮力材料和液压油的浮力损失计算方法，建立深海载人潜水器水下稳心高数学模型，提出一种深海载人潜水器水下稳性分析方法。以“深海勇士”号载人潜水器为研究对象，对深海载人潜水器的水下稳性进行计算分析，得出深海载人潜水器水下稳心高的变化规律，可为深海载人潜水器的设计提供参考。

海洋脐带缆通常由不同的功能构件捆绑而成，而这些功能构件的力学性能差异很大，在外载荷的作用下，不合理的截面布局可能会导致较大的截面变形和构件间的接触压力，从而影响脐带缆服役寿命。本文首先利用最小化截面半径给出截面布局紧凑性的实现方法，通过基于截面构件的拉伸刚度引入虚拟重力指标来描述截面布局的对称性，同时提出可量化的指标描述易损构件钢管之间的疲劳磨损问题。然后考虑上述三个目标建立截面布局多目标优化模型，并引入遗传算法对上述模型进行求解优化，自动得到三种具有代表性的截面优化布局。最后，通过数值模拟对不同截面优化布局进行验证与分析评价，进而得到最优截面布局设计。本文所提出的脐带缆截面布局设计优化方法可提高全局最优解搜索能力，对脐带缆结构设计具有一定的指导意义。

回弹补偿是活络方形压头可重构模具成形船体双曲度外板时遇到的主要难题。本文参考单曲度板回弹比表达方法，引入针对双曲度板材描述离散点以及整体回弹大小的回弹比矩阵及回弹比特征量，并对文献中单曲度板的回弹数据进行了描述，得到的结论与文献一致。同时对典型双曲度板进行了冲压成形实验，并采用本文提出的回弹比矩阵及回弹比特征量对回弹数据进行描述。结果表明：在双向曲率半径分别相等时，马鞍形板的回弹显著小于帆形板；弹塑性理论推导出的回弹比结果与实验数据的回弹比结果相一致。基于回弹比矩阵，本文提出了一种新的回弹补偿算法，通过对比发现基于回弹比矩阵的补偿算法的补偿效果更好。

为了研究围缘扁钢加强的开圆孔无限平板应力解析计算方法，近似认为围缘扁钢区域的平均应力处于广义平面应力状态。运用复变函数论的方法，将应力函数表示为两个待定的解析函数；列出围缘扁钢的边界条件、围缘扁钢与平板之间的应力连接条件和位移连接条件，求出应力函数，根据求出的应力函数便可求出应力。为了描述围缘扁钢减缓孔口应力集中的效果，提出围缘扁钢加强系数的定义。算例计算表明：本文提出的解析算法计算结果与有限元法计算结果吻合良好，围缘扁钢加强的开圆孔无限平板应力普遍小于开圆孔无限平板应力，围缘扁钢加强效果明显；相同体积的加强构件，围缘扁钢的加强效果优于环形加厚板。

由铺设、非均匀海床支撑和落物撞击引起的海底管道缺陷往往是轴向非均匀、非一致且多处分布的。出于简化分析的需要，一般将轴向含多处椭圆缺陷管道的屈曲失稳分析模型简化为轴向含均匀椭圆缺陷管道或轴向含单一局部椭圆缺陷管道。但针对这三种模型计算结果的差异及其工程适用性的研究仍然较少。本文基于数值仿真方法研究含三种椭圆缺陷管道的屈曲失稳行为，利用RIKS方法求解管道的屈曲压力，并与DNV-OS-F101计算结果进行对比，重点分析轴向含多处椭圆缺陷管道屈曲失稳的激发位置及影响参数。研究结果表明，含不同椭圆缺陷管道模型所求解的屈曲压力差异明显，其大小顺序为：含均匀椭圆缺陷管道屈曲压力<DNV规范理论解<含多处椭圆缺陷管道屈曲压力<含单一局部椭圆缺陷管道屈曲压力。对于轴向含多处椭圆缺陷管道的屈曲失稳分析，若简化为轴向均匀椭圆缺陷管道模型则偏于保守，简化为轴向含单一局部椭圆缺陷管道模型则偏于危险。轴向含多处椭圆缺陷管道的屈曲压力受到椭圆缺陷大小、椭圆缺陷间距和椭圆缺陷长度的综合影响。

水下航行器利用外部突出体通过流动压力差进行自流冷却，可很好地避免水泵激励排水管路产生的低频线谱噪声，但突出体作为外部凸体产生的噪声会影响水下航行器的声隐身性能。针对矩形入口和圆形入口两种突出体模型，开展流场与声场的数值计算，分析不同流速条件下两种突出体水动力噪声的产生特性，发现矩形入口突出体比圆形入口突出体的辐射噪声小。为进一步降低噪声，采用锯齿结构对矩形入口突出体进行流动控制，发现在矩形入口前缘添加锯齿的降噪效果优于在尾缘添加锯齿，并归纳了具有最佳降噪效果的锯齿参数。为验证数值计算结果，分别加工了四种突出体模型，并在重力式低噪声水洞中开展试验测试。结果表明，采用锯齿优化的矩形入口突出体，在10~2000 Hz范围内有较好的降噪效果。上述研究成果可为水下航行器突出体的低噪声设计提供参考。

随着传统陆地资源的不断开发消耗，水上新能源的开发利用成为新的趋势，由此出现了大量各式各样的水上浮式结构物。系泊系统作为保障水上浮式结构物安全平稳作业的关键，历来是业界重点关注的研究内容。本文针对目前已有的水上浮式结构物系泊系统进行大量的文献综述研究，归纳了水上浮式结构物的类型，从系泊系统的分类、布链方式、水底锚固基础型式和新型系泊系统方面分析了系泊系统的结构型式，讨论了各种系泊缆材料的各方面特点和优劣，根据已有的大量文献分析了系泊系统的静力特性和动力响应，综合根据系泊工程的水深、海底地形、地质、平台功能、风浪流条件、经济性等方面因素，给出各种系泊方式的适用性评价和推荐，并指出现有研究存在的不足，提出当前仍需进一步发展的研究方向。