舰艇静力学与快速性研究方法

船舶作为水上运载工具具有非常悠久的历史，人们关注船舶阻力和船舶推进的历史也同样悠久，但是人们将船舶快速性作为一个有一定体系的专门学科领域进行专门研究只有一百多年的历史。

由于舰艇是依托水这种流体介质来实现漂浮和航行的，舰艇的阻力性能、推进器水动力性能主要反映的是船体、推进器与水介质的相互作用规律，所以对舰艇阻力与舰艇推进器水动力学的研究是以流体力学为基础的。

舰艇在海洋上航行，船体会受到阻力，舰艇的推进器需要产生推力抵抗船体阻力，从而使舰艇达到一定的航速。可见，舰艇阻力与舰艇推进是耦合地、矛盾地存在于舰艇快速性中的，研究舰艇快速性应该将舰艇阻力与舰艇推进综合起来研究，但是考虑到研究的方便性和可行性，目前对舰艇快速性还是先分别研究孤立船体的阻力性能、孤立推进器的水动力性能，然后研究推进器安装在船上工作时二者的相互干扰。这种研究思路虽然是对船体-推进器耦合水动力性能的一种割裂，但是实践表明，其能够满足工程应用的要求，所以得到了广大研究者的一致认可。

目前，无论是对舰艇阻力性能的研究，还是对舰艇推进器水动力性能，以及船体与推进器相互干扰的研究，相应的研究方法都可以分为理论方法、数值计算方法和试验方法。

（1）理论方法　理论方法对于舰艇兴波阻力和推进器推力、扭矩等的求解具有很大的方便性，在以达到最小兴波阻力为目标的舰艇船型优化和舰艇螺旋桨设计等方面有很强的应用优势，但在准确计及黏性影响、显示船体和推进器流场中的精细结构方面存在明显的欠缺。(www.xing528.com)

（2）数值计算方法　数值计算方法是以求解描述流体运动和受力的普适性方程——纳维-斯托克斯（Navier-Stockes）方程为基础，结合船体、推进器的边界条件和实际工况，对船体、推进器周围的三维流场中各点的速度、压力等物理量进行全场计算，从而不仅可以得到作用在船体、推进器上各项总的水动力，还能够获得流场中任何位置的流场细节。在求解纳维-斯托克斯方程的过程中，针对不同的问题，需要进一步采用不同的方法。有的需要结合自由面模型模拟水气界面兴波；有的需要结合高精度湍流模型计算流场细节的非定常发展演化；有的需要结合刚体运动模型反映船体在水动力作用下的自由运动；等等。随着计算机软硬件技术的发展和船舶流体力学数值计算方法、计算模型的进步，各种界面友好、使用方便的流体力学数值计算软件被开发出来，为舰艇阻力、舰艇推进器水动力性能研究提供了功能强大的专业工具，使得数值计算方法在舰艇快速性研究中的应用越来越广泛。目前，数值计算方法的不足主要表现在两个方面：一是计算结果的准确性需要被确认。现在即使是一些大型的专业软件，尽管其自动化程度已经很高，在运用专业软件进行舰艇阻力、推进器水动力和流场模拟计算时，也仍然需要大量的人工干预，特别是在前处理方式、计算模型选取上，不同的人有不同的认识，或者同一人对不同的计算问题也需要依据自己的主观判断对计算进行干预，这些非标准但又必不可少的人工干预会对计算结果产生影响，因此在采用数值计算方法研究具体的舰艇快速性问题时必须首先对计算结果的精度进行确认。二是目前的数值计算方法主要用于计算预报而难以直接进行设计。即在给定船体外形、给定推进器形状条件下能够很方便地计算得到其在一定工况下的水动力特性，但是要直接自动基于最小阻力目标进行船型优化，或者基于船体航速要求进行推进器设计目前还比较困难。

（3）试验方法　无论是从历史还是从现在的情况来看，船模试验或者说在理论指导下的船模试验对舰艇快速性的设计、评估、预报都起到了极其重要的作用，它也是舰艇快速性研究中不可或缺的方法手段。从重要性上讲，船模试验设施的条件水平可以很好地反映舰艇水动力学研究的能力水平。在舰艇快速性研究的范畴中，主要的试验包括船模静水阻力拖曳试验、推进器水动力性能试验、推进器空泡与噪声测量试验、船模自航试验等，主要的试验设施有拖曳水池、空泡水洞，此外还有相应的测力天平、动力仪、自航仪等设备。运用试验方法研究舰艇的快速性的优势在于：关于舰艇快速性的船模试验方法经过百余年的实践应用检验，已形成了受业界认可的标准规范，在标准规范的指导下获得的试验结果直观可靠、准确度高，是评价舰艇快速性设计与优化结果的主要手段，也可以作为检验理论研究和数值计算结果的依据。其有三点不足：一是试验需要依托专门的试验设施设备进行；二是相对理论研究和数值计算而言，从试验模型设计加工、试验准备到试验完成需要投入较多的人力物力和时间；三是试验模型的尺寸有限，与实物尺度相差巨大，也无法满足全相似条件，存在尺度效应，导致模型试验结果可能无法直接应用到实船上。

可见，可用于舰艇快速性研究的理论方法、数值计算方法、模型试验方法都有各自的特点和优势，也有其缺点，在舰艇快速性研究的进程中，这三种方法互为补充，也相互促进，共同提高，不断促进舰艇快速性的研究持续向前发展。