为研究浅水条件下的高速三体船阻力及流场特点，本文基于URANS方程和重叠网格技术建立了浅水条件下高速三体船直航数值模拟方法，分析了不同水深对高速三体船阻力、航行姿态、流场等的影响。结果表明，高速三体船的浅水阻力主要受兴波的影响，在不同航速下呈现不同的变化特点，Fr=0.439时，船体阻力较深水中增大4.64%～23.04%，在临界水深时阻力最大；Fr=0.658时，船体阻力在临界水深时增加2.07%，水深继续减小时，阻力较深水中减小3.61%～4.86%。水深变化对摩擦阻力的影响较小，主要影响剩余阻力。随水深减小，高速三体船的升沉由下沉变为抬升，艉倾较深水中增大，轴向标称伴流分数较深水中下降。在临界水深附近，Fr=0.439时船体首部和片体前方之间的区域出现明显的兴波波峰。

波浪与海洋结构物之间的相互作用存在复杂几何边界和波浪砰击、越浪等现象。为精确地模拟波浪与海洋结构物的相互作用，本文采用一种无网格粒子法（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH），基于DualSPHysics，建立了数值波浪水槽模型。模型利用推板造波，模拟了规则波的传播过程，且对不同粒子间距下的波面升高进行分析，结果表明该模型能够生成稳定且满足要求的规则波，验证了该模型的准确性。进一步，基于该模型模拟了规则波在不同水深条件下对直墙的冲击过程。在波浪冲击和水体惯性力的共同作用下，直墙上不同位置的压力呈现如下特征：在短时间内迅速达到峰值，随后减小，再次增大，最终降低，压力随时间的变化曲线表现为马鞍状。对比同时刻的波浪形态和速度场，分析发现波浪与直墙的夹角以及水头攀升是导致这一马鞍状压力特性的主要因素。

为了研究实际随机波浪下的船舶耐波性与水弹性响应，本文采用CFD−FEM双向流固耦合方法模拟迎浪不规则波下的船舶运动与波浪载荷响应。首先，分别在CFD和FEM求解器中建立了数值水池模型和船体结构有限元模型，并针对大规模计算问题在超算平台建立了仿真实现方案。然后，建立了CFD求解器中的长峰不规则波的模拟方法，并验证了数值造波方法的可行性和准确性。随后，研究了船体在不规则波中的运动与载荷响应的模拟结果，包括船体升沉、纵摇、垂向加速度、剖面弯矩等信号的时历曲线、频谱密度、超越概率等，并通过分段模型的水池波浪载荷试验结果对数值方法进行了对比验证。研究表明，本方法模拟的船体运动、船中弯矩的结果与试验结果吻合较好，典型工况下的升沉、纵摇和船中垂向弯矩的有义值与试验结果误差分别为4.8%、0.8%和1.6%。

空化是流体中存在的一种特殊物理现象，空化模型是空化流动计算的关键技术，是空化相变过程的描述。空化相变的速率与气核数密度直接相关，论文利用 R-P 方程和气核输运方程对基于泡动力学空化模型进行改进，使空化模型包含了气核数密度随空化过程变化的影响。改进的空化模型有效地模拟了二维蒸汽泡的溃灭过程，在蒸汽泡溃灭最后阶段，气相体积占有率既能在有限的时间内达到0，又能保持计算过程的稳定，模拟结果与理论结果更吻合。

本文对错列换热管束绕流场进行了非定常数值仿真，使用动力学模态分解（Dynamic Mode Decomposition, DMD）方法对数值计算得到的管束绕流涡量数据进行了分析及流场重构，研究了快照数、奇异值的截断阶数对流场重构的影响。结果表明：基于DMD方法能够准确有效地获取错列管束绕流非定常流场中涡量数据的模态结构和对应模态的频率、增长率，基于主要模态重构的流场与数值结果吻合较好，验证了DMD方法在错列管束绕流分析中的有效性；根据无量纲周期数，提出了最小快照数准则，能够直接得到有效的低误差快照数，极大减少了计算成本；从涵盖能量的程度出发，提出了最优奇异值截断阶数准则，有效避免过大的奇异值截断阶数而带来的误差。该研究可为复杂换热器管束绕流场的DMD研究提供参数选取依据。

本文建立了基于CFD方法的OpenFOAM三维湍流模型，研究分析在雷诺数Re = 3900条件下，不同间距比（L/D = 1.5~6.0）对单列三圆柱和三列三圆柱尾流流态、力系数、斯特劳哈尔数、平均压力系数和平均流速分布的影响及其流动机理。研究结果表明：尾流流态共分为4种，分别为重新附着流（逆流再附着）、重新附着流（逆流无附着）、窄尾流撞击和共同脱落；三列三圆柱的临界间距比为L/D = 3.5，此值小于单列三圆柱的临界间距比L/D = 4.0；三列三圆柱的阻力系数、斯特劳哈尔数及升力系数均方根值基本大于单列三圆柱结构情形，且三列三圆柱斯特劳哈尔数出现了相互未锁定现象；单列三圆柱的平均压力系数分布与三列三圆柱中心列的平均压力系数分布趋势基本一致，但三列三圆柱中的双侧列圆柱在小间距比时，其正压力位置更靠近中心列圆柱一侧；三列三圆柱间隙流平均速度相对较大。本研究工作为海岸和海洋工程中桩群的水动力计算提供一定的参考价值。

为了拓展水面防波堤的有效消波周期范围，本文应用Bragg共振，开展多重水面穿透箱体与潜堤组合结构物的消波性能研究。基于时域势流理论，采用去奇异边界元方法（Desingularized Boundary Integral Equation Method, DBIEM），建立数值波浪水槽，数值计算了规则波与多重等间距布置的水面箱体与水底潜堤组合的结构物之间的相互作用。通过反射系数和透射系数分析了组合结构物的Bragg共振发生点位置、反射强度和消波性能。通过将数值结果与文献数据进行比较，验证了本文数值计算方法的有效性。计算结果给出了透射系数和反射系数随2S/λ（S为相邻结构物的中心间距，λ为入射波长）的变化趋势。结果表明，规则波在多重结构物中传播时会发生Bragg共振，此时其对波浪的衰减效果明显优于单体结构物。对于多重结构物，随着其数量、宽度、水面箱体浸深的增加，Bragg共振反射强度增加，不仅降低了透射系数，而且提升了对长周期波浪的消波能力；而增加相邻组合结构物间隙拓宽了有效消减波浪的周期范围。潜堤的存在加强了防波堤对长周期波的消浪能力。本研究为组合形式的防波堤设计提供参考。

海底矿石颗粒采集是深海矿产资源开发的关键环节，附壁射流式集矿装置因其采集效率高且对海床表层沉积物扰动小而具有重要的工程应用价值。本文采用高速摄像与计算机图像处理技术，研究了射流雷诺数Re对矿粒运动特性的影响规律。基于粒子图像测速实验技术（PIV），分析了射流雷诺数Re、离底高度与颗粒粒径之比h/d以及射流厚度与颗粒粒径之比b/d对集矿流场分布特征的影响规律。实验发现，矿石颗粒在集矿流场的不同区域具有不同的运动特征，可划分为：平动区、起动区和延续区。相同Re下，在1.5 ≤ h/d ≤ 2.25范围内，h/d的降低对凸曲壁最低点（y/d = 0）附近流场流速变化趋势影响较小，但有利于矿粒进入近壁面大速度梯度流场区域，从而有效促进矿粒提升；相同Re下，在0.1≤ b/d ≤ 0.4范围内，b/d减小会增大近壁面高流速区域的流速梯度，增强颗粒的垂向提升力，提高采集效率。本研究可为新型高效、低扰动集矿装置的设计与工程应用提供重要参考。

船舶艉轴密封装置在工作过程中常常因静环和动环间的摩擦激励而产生异常振动噪声，通过实船测试发现，该异常振动在振动频谱中表征为静环扭振固有频率及其倍频分量的出现。为揭示该异常振动产生原因，本文建立了摩擦激励下的艉轴密封装置非线性扭振分析模型，利用多尺度法和数值仿真分别研究了轴系旋转速度、动静环间摩擦系数、Ω弹簧预紧力、Ω弹簧扭转刚度、系统结构阻尼比等参数对艉轴密封装置振动的影响规律。研究表明：当摩擦激励诱发的等效阻尼比小于系统的结构阻尼比时，艉轴密封装置的静环将产生摩擦自激振动，表现为振动频谱中出现静环扭振固有频率及其倍频分量；增大Ω弹簧预紧力、增大动静环间的静摩擦系数与动摩擦系数差异，或者降低轴系旋转速度、降低Ω弹簧扭转刚度均将导致静环更易发生摩擦自激振动；提高系统的结构阻尼比可有效抑制静环的摩擦自激振动；轴系扭振仅改变静环自激振动的幅值，而不会改变其性态。最后，本文提供了静环产生摩擦自激振动的判别公式。本文研究结果为实船艉轴密封装置的振动故障诊断、设计优化及运行调控提供理论依据与技术支撑。

大型耐压圆柱壳的加工变形有可能影响其后续加工精度及使用要求。针对这一问题，本文以某变形后的大型钛合金耐压圆柱壳为研究对象，采用校形工装和热校形方法，基于热弹塑性和蠕变有限元理论，对该圆柱壳的变形校正过程进行热校形数值模拟计算。结果表明：变形后的该大型钛合金耐压圆柱壳椭圆端校形后误差控制在1%以内，能够达到工程要求的校形效果；采用圆环状校形工装所达到的整体校形效果更好，误差相比于十字型校形工装下降了0.2%；热处理保温时间、升温速率和降温速率对变形后的该圆柱壳校形效果影响不大，而弹簧刚度影响较大。研究获得了一套较好的大型耐压圆柱壳热处理校形工艺方法。

为探究超空泡射弹对水下耐压结构的毁伤特性，本文开展了12.7 mm超空泡射弹在不同速度下撞击典型靶（无筋曲靶和加筋曲靶）的仿真研究。本研究基于实验结果验证了仿真模型的可靠性，详细分析了全水下侵彻的弹道响应特性，揭示了水下侵彻无筋曲靶的损伤机理，并阐明了弹−靶的动态响应关系和加筋结构的抗侵彻特性。结果表明：相较于无筋曲靶，加筋曲靶最薄弱的无筋部位的弹道极限速度提高了3.1%，流体载荷挤压所致的表面凹陷面积减小了27.3%，随着射弹速度增大，两种典型金属靶的侵前吸能比均有不同程度的增长，但无筋曲靶的侵前吸能比上升速率更快。在相同射弹速度下，加强筋有效抑制了加筋曲靶的整体变形，但其裂纹生长耗能比无筋曲靶更大，因此裂纹沿靶厚方向的扩展深度也更大。射弹速度越大，两种典型靶的孔周裂纹延伸范围均越小，说明射弹速度的上升降低了靶板的裂纹生长耗能。研究结果可为水下耐压结构设计提供参考。

立体视觉测波技术已成为目前对场域波浪进行监测最有前景的方法之一，而传统的特征提取与匹配方法依赖特征点提取，无法满足实际应用中对于速率及精度的要求，从而影响三维重建的效果。为此，本文引入LoFTR（Local Feature Transformer）算法，以在某海上固定式风机上安装的双目视觉测波系统拍摄的波浪图像作为图片集，构建了基于人工智能算法的高效波浪特征提取及匹配与三维波浪场稠密重构技术，并在多种光照环境下进行了算法比对验证。结果表明：对于正常光照下的波浪图像，LoFTR算法平均每帧提取约4300对匹配点，耗时0.9秒/帧，匹配效果显著优于传统方法；对于黑夜环境下纹理不清晰的图像，仍能稳定匹配2000余对匹配点，实现三维波浪场的稠密重构，为海洋波浪的智能监测提供核心技术支持。

弹性背腔扩张式消声器相较于刚性背腔扩张式消声器具有更优良的低频消声性能。目前针对弹性背腔扩张式消声器的计算方法多为基于平面波假设的传递矩阵法，此类方法的计算误差随着声固耦合作用的增强而变大，且传统计算方法难以获得弹性边界条件下弹性结构的模态函数。因此，本文提出了一种基于能量原理、不依赖于平面波假设的计算方法。通过子结构分解法将弹性背腔扩张式消声器模型分解为三个子声腔，随后将声场的声压函数及弹性结构的位移函数分别展开为三维与二维切比雪夫级数形式，结合Rayleigh-Ritz法求解切比雪夫级数中的未知系数，从而得到消声器内部声压及传递损失，通过与有限元结果的对比验证了理论模型的正确性。最后，分析了其耦合特性并研究了边界约束和消声器参数对传递损失的影响规律。结果表明，弹性背腔扩张式消声器相较于刚性背腔具有更低的固有频率和更强的低频耦合作用。边界约束对传递损失的影响主要体现在1000 Hz以上，释放边界约束可使传递损失峰值向低频移动并增大峰值，从而提升消声性能。此外，背腔长度或半径的增大会使传递损失曲线向低频移动，其中背腔半径对消声器的声学性能影响更为显著；弹性壁厚度或杨氏模量的减小会使传递损失曲线进一步向低频移动。

本文研究了螺旋声学黑洞（SABH）对通风管道的振动抑制特性以及减振机理，与传统减振手段相比，SABH具有轻量化、易安装、低频宽带吸振特性等方面的优势。有限元仿真结果表明，SABH有效抑制了通风管道的振动。与未布置SABH的原始管道相比，布置SABH后的管道监测点前三阶加速度级共振峰降低10 dB以上，监测面的振动速度总级降低了3.73 dB。振动实验结果表明，布置SABH后的管道测点低频段加速度级共振峰基本降低10 dB以上，高频效果更加显著。研究表明，SABH对通风管道减振具有优异的低频宽带减振性能，对管道结构波能量有良好的汇聚与耗散作用。