随着经济的快速发展,船舶向高速化、大型化、专业化方向发展,船舶航行安全问题日益突出,操纵性能成为船舶在设计阶段需要重点考虑的水动力性能之一。同时,随着水上货物运输量的逐年增加,港口航道内船舶航行密度在逐年增加,船舶经常需要在如近岸、入海口、港口和内河航道等一些限制水域航行,为了避免碰撞和搁浅,需要在低速下进行斜航、回转等操纵运动;此外,海洋工程船舶如铺缆船、救捞船等在作业过程中,常常需要在低速下进行倒航、横移、小半径回转和紧急制动、紧急向前等特殊操纵运动。为了确保安全航行和高效作业,需要深入了解低速下的船舶操纵性能;因此,开展低速域的船舶操纵运动建模和运动预报研究,具有重要的工程实用意义。本文应用CFD方法对船舶在低速下一些典型的操纵运动的粘性流场和水动力进行了数值研究。首先数值模拟了船舶在低速域内斜航运动的粘性流场,然后模拟了船舶在低速域内回转运动的粘性流场;此外,模拟了单个螺旋桨在四象限内工作和进行斜航运动时的粘性流场,以及紧急制动和紧急向前工况下船-桨系统的粘性流场。数值模拟船舶低速斜航运动时,以油轮Esso Osaka船模为研究对象,应用CFD方法预报其漂角在0°-180°范围内变化时的水动力。采用RANS方法并结合SST k-ω湍流模型对0°-30°和150°-180°漂角工况进行了数值模拟;采用DES方法对流动分离剧烈的40°-150°漂角工况进行了数值模拟。对0°和70°漂角工况进行了验证和确认分析,分析了漂角为0°、30°、50°、70°、90°和180°的流场特性和涡结构特征,通过速度分布和湍动能分布比较了DES和RANS计算结果的差别。最后分析了漂角和航速对横向力和转首力矩的影响。数值模拟船舶低速回转运动时,以Esso Osaka船模为研究对象。针对船舶以较大的漂角进行小半径回转运动时出现的以粘性效应和流动分离为主导的非定常流动,应用DES方法进行了数值模拟。进行了网格和时间步长的验证性分析,得到了关于网格和时间步长的不确定度。通过对比一定回转半径、不同漂角工况下船模的力和力矩的计算值与试验值,验证了所采用计算方法的正确性;对比了横向力和转首力矩中摩擦力和压力部分的变化趋势。通过系列计算研究了漂角和回转半径的影响,并讨论了横向力和转首力矩、船体表面的压力分布、一些典型横剖面上的速度等值线和涡结构等流场特性随漂角和回转半径的变化规律。在模拟低速四象限和斜航工况下单个螺旋桨的粘性流场时,以DTMB 4381五叶桨模为研究对象,对该螺旋桨在前进、紧急制动、紧急向前、斜向前进和斜向倒退工况进行了数值模拟。采取基于SST k-ω湍流模型的RANS方法,模拟了处于斜流中的螺旋桨在前进和倒退时的粘性流场和水动力特性,针对前进工况进行了网格收敛性分析和数值方法验证。基于LES方法模拟了紧急向前和紧急制动下的流场特性,对紧急制动工况进行了网格收敛性分析,得到的推力和扭矩结果与试验结果进行了比较。研究了紧急制动、紧急向前工况下螺旋桨负荷的影响,以及斜向前进和斜向倒退工况下漂角和螺旋桨负荷的影响。通过桨叶表面的压力分布、典型剖面上的速度分布和流线图等流场特征分析了潜在的流动物理机理。在模拟低速操纵运动过程中的船-桨干扰方面,针对低速操纵时的紧急制动和紧急向前工况的船-桨干扰进行了数值模拟。以带桨带舵的油轮KVLCC2船模为研究对象,对四种航速下的自航点进行了计算,通过将计算值和试验值进行比较,验证了数值方法的正确性。采用LES方法模拟了紧急制动和紧急向前工况下的船-桨干扰特性。研究了螺旋桨负荷对船-桨干扰的影响;比较了不同进速系数下的推力和扭矩的时历曲线和频谱图;通过分析桨和船、舵上的压力分布及船尾附近横剖面和纵剖面上的轴向速度分布,揭示了船-桨干扰的流动机理。本文采用CFD方法对多种船舶低速操纵运动工况下的粘性流场进行了数值模拟,研究了船舶斜航、回转运动,单个螺旋桨直航、斜航前进和倒退、紧急制动和紧急向前等工况,以及紧急制动和紧急向前时的船-桨干扰特性。基于CFD计算获得了丰富的流场信息及作用在船体和螺旋桨上的水动力,这有助于更好地理解低速操纵运动过程中的流动机理,对于研究低速域的船舶操纵与控制问题具有重要的理论意义和实用价值。