建设世界一流的中船长兴造船基地中国造船工程学会.docx

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建设世界一流的中船长兴造船基地中国造船工程学会

深化基础技术研究，为我国船舶工业创新做强服务

——从船舶水动力学角度出发的若干思考

缪国平1朱仁传1范佘明2

1前言

在十到十五年的时间内把我国建设成世界第一造船大国和强国的宏伟目标已经成为激励广大造船界同仁为之奋斗的巨大动力。

做大，可以只是量上的发展，而做强，则必须要有质的提高。

中国船舶工业要做大做强，迫切需要以科学发展观为指导，大力提升船舶与海洋工程科学研发水平，缩小我们在综合竞争能力方面（包括科技创新能力、产品结构档次、制造与管理水平、生产效率、市场占有率、经济效益水平等等）与发达国家相比存在的差距，推动船舶工业的快速增长，并进一步带动相关产业链的整体发展。

船舶工程涉及的基础理论和基础应用技术范围之广可以说是其他行业无可比拟的。

我们在此只从与船型技术密切相关的船舶水动力学角度出发，对基础技术研发的重要性、当前的发展趋势和我们可以努力的方向作一简单的评述。

即使只限于船舶水动力学，但其各分支覆盖的理论面和工程应用面也是相当之广，在一篇短文中要完整地介绍这方面的前沿研究进展和遇到的基础理论问题是不可能的。

在有限的篇幅和时间内，事实上只能从介绍船舶水动力学的任务、研究范围、在整个船舶制造业中的地位和重要性出发，概要地论述一下在船舶水动力学的工程应用中遇到的基础理论问题，同时也简要地介绍国内外学术界和工程界近期予以关注的若干船舶水动力学工程前沿研究方向。

由于近期海洋工程的发展及其与船舶水动力学的许多共通之处，顺便也揉入了海洋工程流体力学中的一些有关领域。

本文的目的是想探讨船舶水动力学作为船舶设计中的重要基础理论和技术之一在船舶工业（包括海洋工程）发展和国防建设中的定位和作用；也让大家了解船舶水动力学方面的研究者在想些什么、做些什么，他们面对的困难是什么，他们是何等地需要有学术界和工程界各方面的支持、合作和帮助。

我希望有更多的年青学者和船舶工程师能投身到这一领域的研究中来。

2船舶水动力学在整个船舶制造业中的地位和重要性

当今世界，船舶工业已成为一个综合性的基础产业，船型开发与造船技术的优劣和水平的高低是一个国家的总体工业水平和综合国力的集中体现，海上力量的存在更是一个国家国威的象征。

船型设计的终极任务是开发一种船型，使其能够以特定的性能指标完成预定的使命。

在船舶科技创新中，船型设计的优劣是首要的关键。

以何种指导思想或原则来设计船型，如何预见他设计的

本文第一作者系上海市造船工程学会理事、学术工作委员会副主任、教授、博士生导师；第二作者系船舶流体力学专业学术委员会秘书长，副教授；第三作者系研究员。

船舶是能够符合预定使命要求的优秀船型，于是就形成了对船型的研究，也就是船舶水动力学的主要任务。

因此，在这层意义上讲，船舶水动力学是为船型设计和开发服务的。

这样讲，并不降低船舶水动力学在整个船舶制造业中的地位和重要性，恰恰相反，船舶水动力学作为一类基础共性技术，它不是直接面向市场的技术，但它应该是船舶工业的重要技术，可为其它技术的进步、产业的发展提供支撑，具有广阔的应用前景和明显的规模效应。

船舶水动力学基础共性技术研究是船型开发和设计的优劣的前提和保证，是船型优化与新型船舶研发首先需要解决的关键问题之一，对促进我国船舶工业的自主创新具有突出的意义。

近年来，基础研究或基础技术研究的重要性越来越得到认可，但迄今为止，人们对其含义并没有形成共识。

我们认为，作为一类工程背景的基础共性技术，船舶水动力学基础共性技术研究大致上可以分成三大方面：

一是以认识现象和反映机理为主，它追求的可以是发现新现象、积累新知识、探索新规律、创立新学说，力图阐明外界环境条件和船型特征与船舶航行性能本质的关系。

二是谋求船舶航行性能预估手段和方法的可靠性和精度，它追求的应该是能够可靠、准确、简便、全面地对船舶的安全性能、综合航行性能和海洋工程结构物的流体动力特性进行预报、评估和优化，成为新型舰船、新型海洋平台和相应的海洋结构物研究开发的重要工具和手段；最后一个方面是寻求航行性能改进或提高的新途径、新手段、新装置和新发明，实现船型设计决策与性能要求、环境条件、经济指标的统筹，实现船舶综合航行性能指标最优化和经济绩效、功能绩效的最大化。

这三大研究方面并不是互相割裂的，它们相辅相成，互相促进，形成了有机的整体。

当然，船舶水动力学基础研究除具有探索性、创造性、继承性等基本特征外，随着科技的发展和人们认识的深化，不同学科间的交叉、渗透日益增强，研究的内涵不断拓展，出现了一批新的学科交叉点和前沿研究方向。

这或许正是船舶水动力学基础研究的魅力和活力所在。

在船舶科技创新和综合竞争能力提高上，船型技术是关键。

我们应该从建设世界造船大国和强国、拉动整个产业链的战略高度来认识发展船型技术的重要性。

当前，加强船舶水动力学基础理论与应用技术研究，以科学发展观指导船型设计和优化，解决船舶设计中的高难度的共性技术问题，注重自主创新，提高船型开发和设计水平，缩小与世界先进设计水平的差距，则是发展船型技术的前提。

3船舶水动力学的任务、研究范围与总体发展趋势

顾名思义，船舶水动力学是流体力学的一个分支，是流体力学在船舶学科中的应用。

船舶流体动力性能的研究是船舶综合航行性能预报技术的基础，也是新型船舶与海洋工程结构物研究开发首先需要解决的关键问题之一。

船舶水动力学的任务是从流体力学的观点来研究船型，使其能够以特定的性能指标完成预定的使命，为船型设计和开发提供质的或量的指导。

历史上，船舶水动力学的发展形成了四大传统的研究领域，它们分别是船舶阻力、船舶推进、船舶操纵和船舶耐波性[1]。

在满足一定使用条件时尽可能地减小船舶航行时的阻力是船舶设计中的永恒的主题之一。

船舶阻力研究的则是阻力的分类、产生的机制以及船型（包括主尺度、船型参数、型线）、速度对阻力的影响，提供阻力估算方法和指导性原则。

从机理上粗略地分，阻力可分成粘性阻力和兴波阻力两大部分，前者由水的粘性和流动分离所引起，后者则由扰动在自由表面兴波并消耗能量所致。

最近的研究指出，肥大船型首部碎波的生成也是一个重要的阻力组成部分。

由于船舶航行时必然受到阻力，为使船舶能保持一定的航速，必须要供给船舶一定的推力。

船上必须设有专门的装置和机构，把能源发出的功率转换成推船前进的功率，这种专门的装置和机构统称为推进器。

船舶推进领域所研究的是推进器在水中运动时产生推力的基本原理和提高推进效率的途径，解决如何根据实际的要求设计出性能优良的推进器。

目前最常用的推进器就是螺旋桨。

螺旋桨理论的发展，除了对其本身的研究（如翼型研究、空泡性能研究、确定给定螺旋桨的各种性能或给定性能要求设计出符合要求的桨）外，对桨与船体间的相互干扰的研究也日益引起重视。

船舶操纵则是研究船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能。

通常操纵性包括以下几个方面的内容，即航向稳定性、回转性、转首性和跟从性。

具有良好操纵性的船舶，在直线航行时能保持运动方向，需要转向时能迅速地改变航向，使船舶按照预定的航线航行。

船体本身的水动力特性和操纵装置（通常是舵）的水动力特性是船舶操纵领域中最基本的研究内容。

船舶操纵与航行的安全性、经济性以及军舰的战斗力和生命力有密切的关系。

大多数情况中船舶都是在风浪中航行的。

船舶耐波性则是研究船舶在波浪中的摇荡运动性能及砰击、上浪、失速、飞车等相关联的问题的一个分支。

剧烈的摇荡运动对船舶产生一系列有害的影响，包括对人员工作效率、安全性和船体结构、各种装备的影响等等。

在耐波性研究中，对外界风浪的研究也是重要的，包括风浪谱的确定。

在给定的环境条件下，确定船体所受的波浪作用力及其运动响应是船舶耐波性研究的基本出发点，也是目前船舶水动力学中应用理论计算最为成功的研究领域之一。

船舶水动力学研究粗略可分成理论研究和实验研究两大互相关联和支撑的部分或分支。

理论研究包括机理上和实用上的建模与解析的求解或数值的计算分析，实验研究也有一整套理论，是船舶水动力学理论体系的一个组成部分；它的优点是直观，缺点是昂贵，多因素分析困难，重复性差，特别是如果要作机理性探讨的话，工作量和成本相当庞大。

我们在这里只讨论理论研究中的应用数学问题。

由于历史的原因，上述四个领域是相对独立地发展起来的。

事实上，船舶是一个矛盾的综合体，一种性能的提高有时会不可避免地影响另一种性能，它们既相对独立又互相耦合。

例如，快速性的提高往往会影响耐波性。

航向稳定性的提高反过来使回转性能恶化。

这中间当然有个设计的权衡问题。

但从研究角度来看，从孤立研究某一性能到综合研究是目前的发展趋势之一。

这一从孤立研究向综合研究发展的趋势不仅表现在船舶水动力学本身各分支的互相滲透，也表现在船舶水动力学与其它力学学科或自然科学的交叉、滲透和相关上。

例如，大型货轮、油轮、航空母舰的发展，使得原先将船体看成刚体的假设显得过于粗糙，流-固耦合的水弹性理论得以迅速的发展。

舰艇，特别是潜艇，作战隐蔽性的要求，使的我们不仅需要有“安静”的螺旋桨，还必须尽量减低旋涡分离产生的艇体噪声，这方面的研究除了流体力学上的问题（如空泡、分离等等）外，还有水声学方面的问题。

自动驾驶、主动减摇等要求还将流体力学的有关问题与自动控制联系了起来。

另一方面，以往在船舶阻力、推进和操纵的研究中一个基本的前提是在静水状态中进行的，在许多场合，由于波浪的影响，上述静水状态的研究成果显得不够充分或者说不能很好地反映实际现象和解决实践中出现的问题。

我们必须考虑波浪与船体边界层的干扰、波浪对推进器效率的影响、波浪中的操纵性能、波浪中的稳性等等一些耦合问题。

许多本来可以描述为定常的数学问题变成了非定常问题。

近年来，随着计算机科学技术飞速发展，计算速度和容量大幅度提高，计算流体力学（CFD）在自由面追踪方面出现了很多技术，如VOF法、LevelSet方法、SPH方法等等，为带自由面的流动研究注入了新的活力，应用CFD技术进行船舶与海洋工程结构物流动数值模拟和水动力性能预报的优越性和应用前景日益显现。

从研究角度而言，原先难以求解的复杂物体粘性流动问题、强非线性问题、瞬态响应问题在现阶段都可以用CFD技术一定程度上直接求解，例如船舶阻力与带自由液面高雷诺数三维流场的精细结构、船-桨-舵干扰与螺旋桨性能数值模拟、甲板上浪与砰击、液舱晃荡、舰首飞溅、极端海况下船舶运动响应预报等等。

一些传统的基于势流或理想流体理论处理的问题，如船舶耐波性预报与研究，也开始向在粘性流场中直接求解的方向发展；尽管目前离工程要求的实用化和反应的快速化上仍然有很大的距离，但CFD在水波与结构物的相互作用方面巨大的潜力已经得到广泛的认同。

从研究线性或（和）定常问题向研究非线性或（和）非定常问题发展、从基于理想流体的研究向基于粘性流体的研究发展形成了目前另两大发展趋势。

新船型的开发当然是船舶水动力学研究成果具体化的体现，如小水线面双体船、多体船、水翼船、气垫船的研制；同时，新船型的出现又对船舶水动力学和性能预报技术提出了新的课题。

船舶节能技术的发展要求我们对船舶周围的流场有更细致的了解，在流动控制方面有更理想的措施。

4船舶水动力学的基础理论问题概述[2]

可以说，船舶水动力学理论研究各领域中最基础的问题实际上就是应用数学问题，具体一点，就是偏微分方程的初边值问题的提法及其求解，许多新的数学方法和手段正在发展之中。

我们在这里不去讨论具体的方法，而只给出船舶水动力学的基础理论问题的宏观脉络。

学过流体力学的人们都知道，流体力学中描述流体运动的基本方程是Navier-Stokes方程，它表征了流体质点运动与作用力（压力、粘性力和重力、惯性力）之间的关系，或者说，表征了流体质点在运动过程中惯性力与作用力之间的平衡。

这是个非线性方程，只有在极少数很特殊的情况下才能找到解析解。

如果我们引进流体是理想和不可压缩的、流动是无旋的假定，则流体运动的控制方程可化成关于势函数的拉普拉斯方程，流体质点的速度可表示成势函数对坐标的偏导数，流场中任意点的动压力可由伯努利方程确定。

关于拉普拉斯方程定