美国海军舰船水动力设计与优化

秦 琦

美国海军水面战中心卡德洛克分部（NSWCCD）之前又称“David Taylor船模试验池”（DTMB）。在过去的一个世纪中是美国海军研究与开发领域内的主要国防机构。20世纪60年代和70年代美国海军舰船工程中心（NAVSEC）现称“海军海上系统司令部”（NAVSEA）是美国海军战后大部分舰船项目的设计机构。

据了解，DTMB与NAVSEA联系密切，特别关注船型开发和水动力研究。近些年来，随着美国海军舰船采购战略的改变，造船业界在船舶整个设计过程中承担更大的责任。经过近十年采购战略的实施，NSWCCD虽已不再是美国海军所有新船设计项目的唯一试验机构，但其经验、设计历史、理念仍对目前的海军舰船设计具有十分重要的影响。

舰船水动力的局部设计与优化

美国海军在一些舰船项目研究中的水动力性能局部的设计与优化，主要分为水动力设计优化的应用发展与案例分析两部分。

NSWCCD在短期海上补给项目、中期的海上补给项目T-AKE、高速半滑行船体、LHA（R）Plug Plus以及高速航母等项目的研发中，通过与NAVSEA联合开发获得了一些有价值的船型设计，包括 适 中 的Nabla球 首、 椭 圆 球首、pre-swirl banana skeg、producible skeg/中线面尾鳍和尾压浪板。

一、船首水动力设计与优化

1．适中的Nabla球首。从表面上看，美国海军的军辅船（例如T-AKE、T-AO）与民用船舶（集装箱船、豪华旅游船等）在船形上类似，实际上它们之间的船体设计限制条件和操作模式存在极大的不同。美国海军大多数军辅船的持续航速为20 ～24节，但大部分时间的航速不超过16节。而且NAVSEA估计所有新建海上补给舰船的操作模式是70%的时间处于设计排水量状态，30%的时间处于压载状态。这种惯例深刻影响NAVSEA对新设计舰船的续航力和全寿命周期的评估，进而影响NAVSEA的决定：若压载工况下的不佳性能会造成能耗高，那么此类设计方案不采纳，例如LHA、CVV、T-AO 187和双尾鳍T-AO。

在过去的十几年中，采购改革使得美国海军所有军辅船的设计和建造均由产业界完成，包括LMSR和T-AKE。在上述项目的评估中，NSWCCD注意到9种船型方案，LSMR有6种，T-AKE有3种，其中8种得到了欧洲模型试验的支持。不过，这两型船体的设计方对美国海军设计惯例（速度-时间模式、载荷/压载操作模式）缺乏了解，其设计主要基于现有民船，例如采用豪华旅游船和集装箱船上常见的大尺寸鹅颈（gooseneck）型球首。这种球首设计可能会出现自由表面以上浸没以及可能无法接受的船首波等现象，尤其是在海上补给过程（12 ～16节航速）和近压载状况下。在海上补给时，还会出现的问题包括补给船施加给接收船的大首波。例如T-AKE设计，即便合同已经授予，但最终更改了球首的设计。

研究/应用实例1中期海上补给项目。在中期海上补给项目中，DTMB对不同尺寸和形状的球首进行了大量的阻力与推进试验，其中所选的Nalba 6的型线图见图1，该型船的水线长为192.95米， 宽32.19米， 船 深10.4米，排水量为43842t，方形系数为0.661，棱形系数为0.675，横剖面系数为0.980，纵向浮心/水线长为0.512。

此外还选择了两型球首与Nalba 6进行比较，一型是常用于民船的鹅颈型球首（Nabla 5），另一型是基准球首，设计的主要考虑工况是压载状态，因此基准球首的横剖面面积相对较小（ABT/AX=0.059）。

图1 Nalba 6的型线图

选择的Nabla 6球首具有适中的横剖面面积（ABT/AX=0.077）和适中的Nabla形状（倒转三角形）。首垂线处的球首最大高度相当于设计吃水的80%，这种设计可以满足设计吃水状态下“自由表面以下浸没”的条件。之所以选择Nabla 6球首，原因在于其优异的总体性能不仅表现在整个速度范围，而且表现在满载工况和压载工况。经过对Nabla 6和其他两型球首设计的比较，最终表明Nabla 6型球首具有更优异的性能。需要指出的是，中期海上补给项目最终止步于研发阶段，但Nabla 6球首后来成为T-AKE的设计基础。

应用实例2。T-AKE的最初设计采用典型的鹅颈型球首（ABT/AX=0.09），其上表面到达设计水线。该球首能使船体在设计载荷条件下达到优异的阻力性能。在压载条件下，该球首部分浸没，进入球首较肥的入口（blunt）的水流会产生较大的首波系，在球首与船体的相互作用下，水流向下进入船体底部，这种效应会增大船体阻力。当航速低于17节时（补给速度为12 ～16节），船舶在压载工况下的收到功率需求最高比满载工况多18%。

鹅颈型球首在压载水工况下、低速时的不佳阻力和推进性能引起了NAVSEA担忧，尤其是对波浪和寿命周期成本的担忧。NASSCO与NSWCCD重新设计了球首，新球首的横剖面面积稍小，但纵剖面型线较低，这是因为球首顶部低于压载吃水。新球首的设计吸取了中期海上补给项目的教训，并且对Nabla 6版本进行了改进。将新设计的球首与原来的鹅颈型球首进行性能对比，虽然满载排水量从40469t增加至40880t，但Nabla球首在20节设计航速以下的性能与鹅颈型球首相同，压载工况下的排水量从33357t增至35133t，但Nabla球首仍能在整个航速范围内降低功率需求，例如在航速14节时可减少17%功率。

2．椭圆球首（Elliptical Bulbous Bows）。椭圆球首并不是一个新概念，美国海军最初采用该型球首的舰船是MARAD预置船（MARAD C7-5-M134a）和LSD 41级登陆舰。这两型舰船采用了球形球首和椭圆球首进行了试验，试验均表明椭圆球首总体性能更优。不过LSD 41最终选择了球形球首，主要因为其建造成本低。但后来的实践证明，选用球形球首并不是一个好方案，因为从整个寿命周期角度看，椭圆球首的成本更低。美国海军首艘采用椭圆球首设计的舰船之一是AE 36舰船，采用近似椭圆横剖面的球首（Nabla细长版），横剖面图见图2。近二十年以来，AE 36凭借其优异的阻力性能成为各类新设计舰船的先驱。

图2 AE 36首部线型

近年来美国海军设计和建造了一些采用椭圆形球首的舰船，如CVN 76航母、两栖攻击舰LHA（R）Plug Plus。它们均在中高速范围内表现出良好或优异的性能，在低速范围内的性能损失较小。

研究/应用实例1，LHA（R）Plug Plus。最初LHA（R）项目计划建造新一级两栖舰艇，以取代LHA级。这是因为过去几十年LHA的排水量显著增大，现有的船体在服役寿命后期几乎没有多少重量和稳性余量，因此无法满足要求。如果LHA（R）的载荷进一步增加，那么这将有损LHA（R）的水动力性能。NAVSEA在经过三年的AOA研究后，决定选择另一方案Plug Plus作进一步研究。

LHA（R）Plug Plus的水线长为260.42米，宽35.35米，船深7.07米， 排 水 量 为400684t，方形系数为0.640，棱形系数为0.661，横剖面系数为0.968，纵向浮心/水线长为0.519。LHA（R）Plug Plus实际上是一个全新的船形，长度增加了23.47米（水线长为260.42米），宽度增加3.04米，重量较目前的LHA级舰船增加了10000t。虽然排水量明显增大，但设计团队仍被要求采用与LHA 7相同的动力装置，而且设计航速应与此前的LHA相同。为保证设计航速，设计团队进行了不同的球首试验。

经过一系列阻力试验，结果表明采用椭圆球首的新船体的阻力性能最优，其优异的阻力性能可以根据“设计吃水在7.92米时的蜗形系数较低”这一点予以证明。据称，LHA（R）Plug Plus是美国海军设计的两栖舰艇中蜗形系数最低的一个船形。在满载工况和压载工况下，相比于切底型船首，椭圆球首可以在设计航速时减少4%～5%的阻力（傅汝德数为0.2），而且其在低速时的阻力性能损失较小。椭圆球首和切底型船首的等同功效点是16节（傅汝德数为0.16）。新设计船体的优异阻力性能归功于以下几点：光顺的横剖面曲线、较小的尾板面积比、非常好的椭圆球首。LHA（R）虽然未建造，但该型球首对未来的设计影响极大。

研究/应用实例2，船体扩展的航母。20世纪80年代，鉴于美国航母在过去几十年重量显著增大，美国海军计划改善航母稳性。NAVSEA决定将航母的每侧船宽增加7ft，这样船体变动较为平缓。NSWCCD负责设计新的球首，以减小因船体变化而产生的阻力增加。现有的泪滴型球首较小（ABT/AX=0.03），俗称Taylor球首，这类球首在低速时的阻力性能略差，中高速条件下可以适度减少功率需求（傅汝德数为0.6或以下）。为实现高速时的减阻能力（阻力性能），NSWCCD新设计了Nabla球首，但该球首的最大宽度过大，在小角度纵倾时锚的操作会受到影响。于是NSWCCD选用另一种属于椭圆剖面形状的新球首，但保留了球形剖面。新的椭圆球首相对较小，因此不会超出船首突出部分。此外，新球首可以用于现有船体的改装，球首和船体之间没有圆角，可尽量减少船体振动。该船的水线长为302.76米，宽42.67米，船深12.37米，排水量为98092t，方形系数为0.598，棱形系数为0.607，横剖面系数为0.985，纵向浮心/水线长为0.057。

NSWCCD对 采 用Taylor球首和椭圆球首的扩展船体进行了裸船体试验。相比于Taylor球首，椭圆球首在整个速度范围都拥有更好的性能。最大的减阻效果发生在航速为22节和33节，分别可降阻6%和2.5%。此外，新扩展的船体在33节时可降阻5.5%，这样船模试验表明在33节时阻力最多可减少8%。

2004年，NSWCCD决定研究球首长度变化对阻力的影响。航母垂线间长增加了约3%，采用原有的椭圆球首，横剖面面积不变。新修正的细长型椭圆球首也拥有出色的水线入口以及更尖的纵剖面。在设计吃水10.66米（轻载80038t）和12.37米（排水量96543t）的条件下，对原有的椭圆球首和经修正的细长型椭圆球首分别进行了裸船体试验。在设计吃水为12.9米的整个航速范围内，细长型球首较原有的椭圆球首在26 ～32节之间最多减阻2%。

二、船尾水动力设计与优化

1．pre-swirl banana skeg。1994年，NSWCCD受 命 评 估 短期战略海上补给项目中所有船厂的船型方案，该项目后变更为大中型滚装船（LMSR）。船厂共提供了7种设计方案，其中2种方案采用双尾鳍。为评估各种船型的性能，NSWCCD修改了海军的要点设计（point design）要求，特别是评估双尾鳍而非最初的轴系与轴架结构。其中一型最佳设计是pre-swirl banana skeg（model 5490-4），采用了曲线横剖面，这样尾鳍可为螺旋桨产生一个预旋流体，这种流体不仅可以改善内旋螺旋桨的效率，相比于典型双尾鳍结构以及常规轴系和轴架结构，还可以明显减小附体阻力。而且，pre-swirl banana skeg较其他双尾鳍结构具有最小的阻力，原因是预旋流体能够减小与尾鳍相连的边界层厚度。pre-swirl banana skeg线型见图3。该型船的水线长为282.54米， 宽32.15米， 船 深10.55米，排水量为67748t，方形系数为0.688，棱形系数为0.702，横剖面系数为0.980，纵向浮心/水线长为0.532。

图3 采用pre-swirl banana skeg的LMSR型线图

事实证明，pre-swirl banana twin-skeg设计明显优于其他设计方案。Model 5490-4方案显示出极好的性能，远好于海军的要点设计要求（Model 5490），在航速为20节时单位排水量的功率需求减少17%，航速为24节时减少10%。此外，还可以通过选择合适伴流的螺旋桨设计而降低2%的能耗。

2．producible skeg（减轻伴流中线面尾鳍）。在进行中期海上补给设计项目时，NSWCCD负责一型民用可行的海上补给设计创新概念的研发。基准船体定为单桨设计。该项目设计和试验了多种球首、船尾、中线面尾鳍、双尾鳍和推进装置，其中部分最终方案还进行了伴流测量试验，这一点非常重要，因为螺旋桨产生的振动会形成空泡、螺旋桨腐蚀以及船舶尾鳍振动问题。美国海军近期建造的单桨船舶之一是AO-177，振动问题的最终解决消耗了不低的成本，利用螺旋桨上方的纵向鳍改善伴流场和进行螺旋桨重新设计才得以解决问题。

研究/应用实例1（T-AKE）。2011年美国海军授予国家钢铁和造船公司（NASSCO）新一级货物和弹药运输船“USS lewis and clark”级（T-AKE 1）的建造合同，该级舰艇的船形由NASSCO和荷兰海事研究所（MARIN）共同开发。其线型反映了单桨货船的典型设计惯例：干船尾（dry transom）、U型船首、尺寸中等（ABT/AX=0.09）且较高的鹅颈型球首、球形中线面尾鳍。

虽然T-AKE最初的设计具有良好的阻力和推进性能，但NAVSEA对其有两大担忧：其中之一是球形尾鳍产生较大的伴流差（wake deficit），另一个担忧是在航速不超过16节的压载工况下，球首的局部浸没会产生较高的阻力。较大的伴流差会产生严重的空泡问题，造成较高的压力脉冲和船体振动，这些问题会对螺旋桨和货物产生重要影响。此外，NASSCO和MARIN还认为该船形会发生严重的航向稳定性问题和较大的航向超越角。为了消除NAVSEA的担忧，NASSCO、MARIN 和NSWCCD对这些潜在问题进行处理，其中主要解决伴流和航向稳定性问题、球首设计两个问题。该型船的水线长为197.07米，宽32.20米，船深8.99米，排水量为40502t，方形系数为0.692，棱形系数为0.700，横剖面系数为0.988，纵向浮心/水线长为0.510。

图4 采用producible skeg的T-AKE线型图

图5 producible skeg的横剖面图和侧视图

伴流。T-AKE尾鳍最初的上止点的轴向速度比（Vx/V）低至0.47，伴流差的波面角为24°，过于陡峭。这种陡度和deficit会导致螺旋桨的入流角在极短时间内增大，进而增大产生空泡和振动的可能性。

NSWCCD的设计方案和型线见图4，该方案基于中期海上补给项目中的producible skeg。该尾鳍由一系列可展开面和平面组成，船体和尾鳍之间不存在圆角，见图5a和5b。必须确保流体缓慢进入尾鳍的上部分，以光顺的垂向“刀形”（knifte）结束，该刀形用于支持大的轴毂。

与最初的球形尾鳍相比，producible skeg上方陡峭的“尾刀”（stern knife）边缘可以使流体快速地进入桨盘的上部分，见图5b。根据producible skeg产生的伴流可知，当Vx/V增至0.53时，波面角更平缓（32°），这种设计可以减小螺旋桨受到的空泡和振动影响。此外，有利于改善伴流分布，并且能提高推进性能，最多可减少2%的功率需求。

②航向稳定性。最初的性能规格书要求T-AKE能够满足所有前进速度下的全航向稳定性，这类要求对于所有的美国海军军辅船是常见的，因为这关系船舶的安全性，尤其是在海上补给操作时。MARIN的模型试验表明，原先设计的T-AKE船体不满足这种严格要求，这种船模在不进行操作控制的情况下会往左或往右偏，这主要因为：第一，从概念设计开始，船体的丰满度不断增加，这可能会改变航向；第二，船舶采用单桨，桨的旋转会自动引起船舶右偏；第三，舵和尾鳍不能有效保证船舶处于直线航路上。 虽 然NASSCO和MARIN采用不同大小和形状的舵尝试解决这个问题，但未能成功。

producible skeg最终凭借其优异的伴流和推进性能入选设计方案。为确保最终的设计满足操纵要求，增大了舵的尺寸，并且增加了端板以增强有效性。尾鳍后缘增加了一个skeglet（或垂向板），延长了刀形尾部，可以提高船舶的航向稳定性，见图5b。依靠producible skeg 的平表面和尖后缘、端板以及skeglet等设计，操纵试验结果最终表明，航向稳定性和船体的控制性实现了提高。与原有设计相比，20-20 Z字形操纵的剩余转弯速率和超越角均明显减小。

3．尾压浪板（stern flap/step flap）

尾压浪板的作用是修正船倾，降低功率需求，一直应用在小艇领域，后来Admiralty海洋技术机构（AMTE）将尾压浪板引入大排水量船体，护卫舰领域，20世纪90年代初尾压浪板应用更加广泛，从高速巡逻艇到大型低速辅助舰/两栖舰艇。美国海军自1989年开始首次在舰艇上安装尾压浪板，截至2012年，美国海军和海岸警卫队共有14级舰艇安装了约180块尾压浪板，服役总年限超过1300年，共计节省燃料费用7.95亿美元，其中7个级别的舰艇进行了全尺度试验，安装在作战舰艇、轻型护卫舰、巡逻船等上的全尺度尾压浪板的试验表明，船舶性能明显改善。对于两栖舰艇而言，共有13块尾压浪板安装在6级两栖舰艇上，其中3个级别的舰艇为新建，另外3个级别为改装，节省燃料费用超过1100万美元。

尾压浪板可以减少推进功率需求和废气排放，节省大量燃油成本，增加舰船续航力和最大航速。可以在船舶动力需求与发动机操作范围达到平衡，这可以增加发动机检修的间隔时间，延长机器设备的使用寿命。还可以降低螺旋桨负载、空泡、振动和噪声等问题。如果尾压浪板应用在新船上，尾压浪板还可以增大速度、续航力、装载能力，减少推进系统所需功率和尺寸，降低采购成本。

但是，这种节能效果并不完全适用于整个速度范围，水池试验表明：傅汝德数较低时，尾压浪板的船模数据不佳，当尾板或尾压浪板浸没深度增大时，功率损失增加。2005年研究表明，尾压浪板在低速时阻力性能不佳归因于其垂向位置。船模试验记录了低速时的流体数据，流线谱表明与无尾压浪板条件相比，浸没较深的尾压浪板常会增加与船轴相反的涡系。NSWCCD得出结论：减少或消除涡系的最优办法是重新布置尾压浪板的位置，这样尾压浪板可以成为阻止涡系形成的端板，这种想法类似于飞机上常用的减少翼尖涡流的端板或翼梢小翼，这样翼尖的有效面积或升阻比会增加。

NSWCCD将这种位置改变的尾压浪板称为“step flap”，其垂向位置与标准的尾压浪板不同，后者一般与船尾端部保持平齐。而Step flap的有效位置位于作业水线和船尾最下部之间的中间区域，这种布置基于大量船模试验，包括半滑行船体、大型航母、低速两栖舰等。

研究/应用实例1，船体扩展的航母。为评估航母船体应用尾压浪板的效果，研究人员选择了各种球首进行研究。航母水线长为302.75米，吃水12.37米时的排水量超过96000t，尾板面积比（AT/AX）和尾板深度比（TT/TX）分别为0.10和0.3。对于无尾压浪板、标准尾压浪板、step flap分别进行了裸船体阻力试验。系列试验的最优夹角是与中纵剖线成6°，测试了不同翼展和弦长的尾压浪板，翼展的最优值取船宽的43.6%，弦长取水线长的1%，采用类V型船尾，垂向棱形系数（CVPA）为0.741。标准尾压浪板拥有一个横升角，与船尾形状一致，但对于step flap而言，其没有横升角。

船模试验在15 ～47节航速（傅汝德数为0.14 ～0.44）之间进行。航速在26节（傅汝德数=0.25）以上时，标准尾压浪板较无尾压浪板条件更为有效，但航速超过33节时（傅汝德数=0.31），标准尾压浪板无法与step flap竞争。在重载状态下，与其他结构相比，step flap在航速为25节时的尾流最佳。在常见的巡航速度20节以下（傅汝德数=0.19），标准尾压浪板会产生2 ～4%的减阻损失。相反，step flap的性能优于无尾压浪板条件一直到45节航速（傅汝德数=0.42）。

研究/应用实例2，两栖舰艇。美国海军的两栖舰艇拥有井形甲板，通过大型折叠式尾门进出。尾门打开时，依靠部分浸没且与船尾相连的大结构物支撑。这种由NSWCCD的Cusanelli 开 发 并申请专利的两栖舰尾压浪板是一种水动力支撑结构，它将尾压浪板的水动力性能表面与尾门支撑结构进行了组合。尾压浪板的水动力性能源于水动力机制及其对船尾支撑结构的局部或全部的遮蔽。尾压浪板的关键参数包括弦长、翼展以及相对于纵剖线的角度。船体尺度、船尾门尺寸、支撑结构要求、航速、任务能力以及不同的尾压浪板设计准则都会对尾压浪板的设计产生极大的影响。尾压浪板的目标速度或续航力是决定尾压浪板尺寸和性能的基本设计衡准。目标速度随尾压浪板设计目标而改变，这些目标包括减少巡航速度时所需的功率、增加最大航速、或减少燃料费用。就节能而言，每级舰船的速度-时间曲线对于尾压浪板的设计和优化是非常关键的。虽然尾压浪板减少功率需求一般在目标速度或续航力附近进行优化，但在设计时仍应考虑尾压浪板在整个航速范围内的性能。

目前美国海军正在安装尾压浪板的三级新建舰艇分别是“San Antonio”级（LPD-17）、“Makin Island”号（LHD-8）、“美国”级（LHA-6）。

据了解，模型试验表明，在“San Antonio”级（LPD-17）上安装尾压浪板可在最大持续航速21.5 节条件下减少3.4%功率需求；若航速增大0.25节，预计每年减少燃油消耗900桶（减少2.1%），每年可减少燃料成本15.8万美元（175美元/桶）。

在“Makin Island” 号（LHD-8）上安装尾压浪板主要目标是提高燃油效率，减少燃料消耗。同时，增加续航力和最高航速。模型试验表明，预计每年减少燃油消耗3.3%，每年可节省成本84.2万美元。同时，设计尾压浪板的第二目标也能实现，在航行速度范围内，可以减少5%的功率需求，最大航速增加0.4节。

而“美国”级（LHA-6）是美国海军最新一级大甲板两栖攻击舰，与（LHD-8）有很多相似之处。该舰安装尾压浪板的目的是减少高速时的功率需求，因此无需为提高燃料效率而进行速度时间的加权设计，但这不影响尾压浪板减少燃料消耗的作用。同时，还可以增加续航力，减少高速度时的桨叶负载。模型试验表明，LHA-6可以在21节时减少6.5%的功率需求，最大航速增加0.5节。另外，航速为9节时，尾压浪板设计不会产生低速时的动力损失。预计每年减少燃油消耗4%，每年可节省成本102万美元。

除了以上3艘新建项目之外，还有三级改装舰艇，分别是“Wasp”级（LHD-1）、“Whidbey Island”级（LSD-41）、“Harpers Ferry”级（LSD-49）。

以“Whidbey Island” 级（LSD-41）为例。安装尾压浪板设计的主要目的是减少燃油年消耗量，增大舰船的续航力和最大航速。经过评估表明，尾压浪板可以减少8%～10%的功率需求，平均每年减少7.3%，最大航速增加0.6节。每年可减少4.4%燃料，每年节省燃料费用26.4万美元。

图6 部分两栖舰艇上的尾压浪板

水动力分析软件

目前，CFD等水动力计算软件在新船开发和设计中发挥越来越重要的作用，当前美国海军正在开发的部分水动力软件以及在高速运输舰项目上的软件应用。

水动力的分析包括主船体、附体和螺旋桨的优化，具体包括针对阻力的船型尺度优化、船首形状参数的优化、船首或船尾侧推形状的优化、推进附体的形状优化等。水动力优化既可以通过船模试验进行分析，也可以利用水动力计算软件等进行模拟，例如20世纪80年代末NSWCCD在优化驱逐舰的尾楔的水动力设计时，尾楔设计组合使用了船模试验和XYZFS势流计算程序预报，最终设计表明新尾鳍既降低了低速时一般尾楔产生的功率损失，最大航速时可减少6%的收到功率，并且每年可减少约2%的燃油消耗。

据了解，过去三十多年，CFD在船舶水动力领域的应用取得了诸多发展与进步，从最初解决动量方程等式、边界层、半抛物线雷诺平均（RANS）方程发展到全雷诺平均方程、六自由度（6DOF）运动预报以及运动控制器。目前船舶水动力学计算的最新研究方向是在百亿网格上对多尺度、多物质和多相位的船舶流体大涡模拟进行百亿次的计算。船舶水动力计算方法快速发展，包括建模、数值方法、高性能计算方法，这些计算方法的应用模型包括水动力、气流和两相流体求解器、紊流模型、界面模型、运动求解器、推进模型、海况或波浪模型等。水动力计算技术和方法的充分结合，促进了船舶水动力学在实船上的应用。

1．CREATE IHDE软件

据了解，用于水动力优化的大量CFD工具大部分与静水阻力和波型有关，而近年来美国海军的一些设计项目在设计任务和性能要求方面出现了一些根本性的变化，设计这些舰型时缺乏经验，因此优化技术可能相对有用。其中计算研究和工程化采购工具与环境（CREATE）项目就是一项旨在开发和实施一整套计算工程化设计和分析工具的大型计划，以便在整个设计过程中实现高精准度设计和分析研究。船型研究是CREATE船舶水动力产品的一个重要组成部分，项目目前计划开发用于更快地界定设计空间的参数化编码、用于更好地界定特定船型尺度和性能的更精准的雷诺平均方程编码。

目前美国海军在水动力分析工具方面的关注点是实施CREATE综合水动力设计环境（IHDE），这包括线性（采用基于势流薄片理论的方法）和非线性（雷诺平均方程）评估水动力阻力和进行试验数据的比较。此外的关注点是开发一种可以在IHDE框架内实施的优化流程，在设计环境中整合的一个关键点是自动化。

据 了 解，2011 ～2012财 年期间， 采用IHDE软件的美国海军的舰船设计与优化项目有T-AGOS-19、医院船替代设计、打捞拖曳和搜救船（T-STAR）、绿色冰区巡逻舰（GPAV）、中型水面作战舰艇（MASC）、DDG-51 Flight III 型 球 首 设 计 等。NSWCCD称“在CREATE HIDE设计环境中使用水动力评估和优化工具有助于目前和未来的舰船设计师的工作，这种性能未来可能对美国海军现有和未来采购项目产生直接且重大的影响”。

图7 综合水动力设计环境（IHDE）

在IHDE中，美国海军开发和整合了一些计算工具，比如船舶总阻力（TSD）、CFDShip-Iowa、SHAPE编码等。

其中，TSD是由NSWCCD开发的，它是一项在初步设计阶段进行快速预报阻力的工具。采用TSD计算的总阻力包括兴波阻力、摩擦阻力、形状阻力、尾板阻力以及其他阻力。兴波阻力采用薄片理论计算；摩擦阻力采用ITTC friction line估算；形状阻力来源于58系列数据；尾板阻力一般分为两个部分：基础阻力部分可以根据亚音速子弹试验的经验公式进行建模，另一部分是水动力部分，可以根据干尾板缺少的静水力计算；其他阻力部分（例如浪花形成）可以根据建模，这部分基于64系列数据经验值。TSD可以采用两种不同的模式进行研究：对于快速模式（kext=-1），如果作用在面板上的源强仅与面板法线的X部分（流体方向）有关，那么远场波浪阻力可采用零阶薄片近似计算；对于慢速模式（kext=0），对船体的每个面板采用零阶流场计算。

CFDShip-Iowa是由爱荷华大学（UI）开发的。采用非线性重叠网格解雷诺平均方程，解方程时组合使用有限差分法和有限体积法。对于对流场，采用二阶、三阶、四阶迎风偏移离散法分析；对于扩散场，采用二阶中心法分析。压力-速度的耦合可以采用较快的投影算法，也可以采用较慢的PISO算法解决。产生的压力矩阵可以使用Krylov空间求解器对PETSc包的求解而解决。边界条件可以根据GRIDGEN软件中的图形用户界面设置。雷诺平均方程湍流闭合的计算包括单一方程、两方程、雷诺各向异性显式代数应力模型。自由面捕捉法采用水平集方法进行自由表面的建模。这种方法可以计算大振幅运动、碎波和飞溅。

SHAPE编码是由SAIC开发的。它可以确定基准船形变化，改善用户界定的度量。并且可以确定用户指定的局部或全方位的边界。船形的优化可根据如下确定：检查基准船形的变动给目标函数带来的评估变化。这样，就可能利用多种分析工具进行评估，并积累反映每一种变化船形的目标函数衍生物的数据。

2．HSSL项目中的软件

由于海洋高速运输船的操作要求越来越严格，比如在浅吃水港口尽量减少对于基础设施的支持要求，这类舰船的设计越来越复杂，2005年美国海军研究办公室（ONR）为美国高速海上补给（HSSL）项目开发了一些设计工具，这些软件要求能够解决船舶性能问题，比如非定常运动和波浪载荷、冲击载荷、阻力、附加阻力、操纵、粘性效应和浅水效应，这些软件还应能解决一些设计创新问题，比如多体结构、表面效应船、喷水推进等。软件选择的标准如下：第一，具备HSSL船舶设计和性能分析所需的能力；第二，基于物理而非经验法；第三，所选软件的所需功能应用的成熟度；第四，工具在过去应用的经验。所选的工具包括商用的船舶系统参数化评估（ComPASS）、Das Boot、船舶响应（VERES）、大振幅运动程序（LAMP）、有限元分析雷诺方程（FANS）和HAPE，这些软件可以基于需求进行扩展和开发。

ComPASS软件是一项界定船舶设计空间的独特设计工具，在HSSL项目中，该软件是负责船形开发的主要工具；Das Boot是一项去异质势流编码，包含有非线性自由表面边界条件和迭代下沉（iterative sinkage）和纵倾。在HSSL项目中，该软件是预报船舶阻力性能的主要编码，在船形优化中它常与SHAPE组合使用；VERES一项用于预报船舶运动和载荷的薄片理论程序；LAMP是一项专用于计算船舶在极端海况中的运动和载荷的时域模拟模型。在HSSL项目中，主要用于预报船舶运动、波浪载荷、冲击载荷、波浪中的附加阻力、操纵性。该软件还可以深入开发以便分析喷水推进器推进能力、提供表面效应船初步的建模能力、利用预修正快速傅里叶变化法（pFFT）对船体非线性水动力计算的一阶振幅计算加速以及解决大量平板问题（数量超过1万个）；FANS拥有9个主要部分，通过组合这些部分可以提供复杂流体和热传递的建模能力，包括三维环境中的粘性和极端自由表面效应；SHAPE表明是一项几何船形优化工具，优化技术基于连续线型编程，几何模型基于一系列应用在基础设计中的功能模块。

由于海军舰船的要求与限制条件远高于民船，除考虑寿命周期成本以外，其他方面比如螺旋桨振动和航向稳定性有时可能也属于优先考虑因素，一些常规的首位形状可以不适用。因此有必要开发新的船形，这样就涉及到船舶水动力设计与优化。

1、水动力优化工具（软件）对于水动力研究具有非常重要的作用和影响，为更好地开展水动力研究，建议国家和大型造船集团进一步开展和完善船舶核心和主流设计软件的自主开发与技术引进的长期战略规划，加强与国际国内软件企业的合作，争取短期内实现软件的二次开发应用，在长期阶段实现核心软件的国际合作开发和自主开发。

2、从企业和研究机构的角度来看，建议研究机构更加注重水动力等基础性能研究和工程应用，健全技术创新机制，培育具有国际视野和涉足前沿技术的高端技术人才。注重前沿技术、理论方法的跟踪与研究。

此外，根据美国海军的新船型的研发历程可知，企业加强与海军研发机构的联系有助于技术的创新，促进船舶水动力发展。

3、从具体的产品类型，短期内可以选择对船型局部进行优化，包括首尾等，选择某一类或几类舰型做试验，积累经验后再判断是否适合推广。将理论分析与试验分析组合在一起，以便能够提高水动力设计的精准度。