船舶水动力设计涉及从初步设计和早期设计到后期设计和最终设计的几个阶段。水动力优化是船舶设计的一个重要方面。因此，基于计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）的仿真工具可用于评估设计过程中的水动力性能和设计过程中的设计方案。
为了定量地比较不同设计的优点，定义了船舶水动力性能的多目标函数。这些目标函数可以使用基于CFD的仿真工具对给定的设计进行评估，即船型的信息是与一组设计参数／变量相关联的。通过优化技术可以得到具有最佳水动力动态性能的最佳船型。因此，基于仿真的水动力设计／优化工具通常包含一个CFD模块，它可以用来计算流场和评估目标函数；一个船体表面建模模块，可以通过给定的设计参数／变量集来产生船体形式；一个优化模块，可用于最小化给定函数下的目标函数。
早期的水动力设计在迭代过程中需要评估很多函数。高质量模型在设计优化中的应用，特别是在早期设计阶段，是非常昂贵的。为了减少计算成本，同时能够给出不同的设计，最重要的是开发一个计算工具来解释必要的（但不一定是全部）相关变量，并且该工具对于CPU和用户输入时间来说是高效的并具有较好的鲁棒性。因此，线性势流假设是初步设计的一个重要手段。在设计过程中，更深入的方法包括Euler、RANS和VLES计算等。因此，有必要开发基于势流的简单CFD工具和基于Euler-RANS／纳维斯托克斯方程的高质量CFD工具。这些不同的CFD工具可以在设计的不同阶段使用。在优化过程中，简单CFD工具可用于评价水动力性能，如阻力和海况，高性能CFD工具可用于验证最终船型的水动力性能。
为了实现基于仿真的船型设计优化，必须建立精确有效的船体表面显示和修正技术：
（1）只需要少量参数（设计变量）来表示；
（2）通过修改给定的参数（设计变量），可以得到船型的大的变化，从而产生不同类型的船型；
（3）当只有一小部分内容需要修改时，修改的区域可以在原始设计上平滑连续的修正；
（4）可以输出实际的船型（既可以是三维的，也可以是制造实用的图纸），在优化过程中可以很容易地实现各种几何约束。
可以采用各种优化技术来最小化目标函数。通过优化技术，能够找到局部或全局最小的单目标或多目标函数。这些优化技术可以集成到优化模块中，一个合适的优化技术可以从优化模块中选出，以满足设计需要。
综上所述，基于仿真的船体水动力设计优化通常需要以下步骤：
①利用船体曲面建模技术，定义一组具有设计参数／变量的初始船型；
②利用CFD模拟给定船型的流场，获得考虑到流场信息的目标函数；(www.xing528.com)
③通过优化技术和更新设计变量来最小化目标函数。重复步骤（1）～（3），直到函数收敛，从而产生具有最佳水动力性能的最佳船体形式。
如果在迭代过程中用高质量的CFD工具模拟给定船型的流动，则需要大量的时间来进行船体形式的水动力设计优化。
近年来，随着计算机硬件和数值技术的飞速发展，基于CFD的计算工具在船舶水动力性能分析中的应用越来越广泛。这些工具很多已经被用于船体型线优化研究，并已经证明基于CFD的流体动力设计优化方法是非常有价值的。在该方面很多学者开发了一些比较实用的工具，基于仿真的水动力设计和优化工具的主要组成部分包括水动力模块、船体表面建模和优化模块。水动力模块包括面向设计的简单CFD工具和高性能CFD工具。这些集成CFD工具用于评估不同设计阶段的流体力学性能。船体曲面造型模块包括船体曲面显示和修改的各种技术。该模块用于自动生成船体外形或在水动力性能和设计约束方面修改现有船体型式。优化模块包括各种优化算法和替代模型，用于确定在给定的流体动力性能方面的最优设计。
许多船体几何建模技术已经用于船体形式的调整和修改。这些模态技术可分为两类：常规建模和参数化建模。传统的建模技术是建立在一个低层次的几何定义上，比如，点被用来定义曲线，曲线被用来定义表面。NURBS[1]可以看作是船型常规建模技术之一，而在基于CFD的船型水动力优化中，NURBS的控制点可以作为船型修改的设计变量。虽然传统的建模技术在几何和拓扑方面提供了很大的灵活性，但如果采用传统的建模技术进行船型优化，则很难确保产生合理和实用的船型。在实际应用中，传统的船型设计模型需要大量的设计变量。另一方面，参数化建模技术建立在高层次实体上，这些实体被称为几何造型中的形状参数。参数化建模技术的主要优点是可以非常有效地产生小的或中等的变量修改，并且只需要设定少量的设计变量就能实现。然而，船体表面的参数化建模不允许在优化周期期间产生船型的较大变化。每类建模技术的优点和缺点已经在Harries的工作中得到了充分证明。这些几何建模技术很多都可以在现有的CAD系统中获得，例如CASES、NAPA、Rhino[2]等的情况。船体曲面优化技术通常是与船体曲面建模技术密切相关的。
基于传统方法发和参数化建模方法，已经开发了用于船体表面显示和修改的多个技术。具体地说，在优化循环过程中，提出了一种与截面面积曲线相关联的准公尺船型表示和修正技术，以径向基函数（radial basis function，RBF）为基础优化船型在局部和／或全局周期。为了考虑船体形状的局部和全局变化，基于RBF的船体外形修改技术可以与参数化船体形状修改技术相结合，也可以单独使用。与其他船型修改技术相比，这些技术既灵活又高效。它们只需要少量的设计变量定义的径向基函数的形式参数和可移动控制节点。这些修正技术可应用于离散曲面或NURBS曲面表示的船体形式。在基于CFD的船型水动力优化设计中，它们可以有效地产生具有优越的水动力性能的最优船型，这些船体型式表示和修改技术的另一个优点是在进行优化之前考虑每一个设计参数的影响，可以更准确地计算流体力学性能。对于由NURBS曲面表示的基线船体，这种基于RBF的修正技术得到了进一步发展，以便在水动力性能和几何约束条件下自动生成球艏或修改现有船首，并在优化过程中给定几何约束［75］。
Chi YANG和Fuxin HUANG详细介绍了基于RBF的优化技术、RBF和NURBS联合表面优化技术以及参数化表示和修正技术相结合的优化技术。除了船体曲面建模外，在优化模块中还可以集成多目标优化技术，其中包括遗传算法、一种新的改进人工蜂群优化算法、微分进化算法，以及几种可替代的优化方法。许多CFD工具集成在水动力模块中，用于评估流体动力性能。在基于仿真的水动力设计优化工具中，可以选择合适的优化算法、CFD工具和船体形状优化技术，以满足设计不同阶段的设计需要。
目前基于仿真的多目标动力优化工具已用于单壳船舶和多船体船舶的设计。为了验证计算工具，对所获得的初始船体和最优船体进行了各种模型试验。
船舶水动力优化设计涉及从初步设计到早期设计到后期设计和最终设计的几个阶段。基于仿真的船体型式水动力优化依赖于CFD求解器，用来评估船体绕流的目标函数。在早期的设计中可能有数千个潜在的候选船体。因此，开发高效、稳健的CFD工具是这一阶段设计的关键。
基于势流的纽曼米切尔（Neumann Michell，NM）理论和ITTC 1957船模型线，开发了一种简单的CFD工具（计算机代码SSF）。这种简单的CFD工具已经被用来评估各种单体船和多体船的波浪阻力与总阻力。该CFD工具SSF非常高效和稳定，SSF的数值预测可以很好地捕捉到解的趋势从而更好地进行优化。因此，这个简单CFD工具非常适合在设计的早期阶段，对阻力的流体动力方面进行优化。事实上，它已被广泛用于单体船和多船体减阻的水动力优化。
随着设计手段的发展和计算机硬件水平的提高，Euler、RANS、VLES等方法被应用于最后阶段的优化设计。因此，除了基于势流理论的简单CFD工具，优化过程中流体动力学模块还包括基于Euler、RANS、纳维斯托克斯的高质量CFD工具。其中，FEFLO是一个通用的内部CFD代码，它是基于有限元法和非结构化网格法开发的；另一种是从开源CFD封装OpenForm定制的工具。这两种工具都可以用来评估在后期设计阶段的最佳船体型式的水动力性能。
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