流体与刚性或弹性结构物的流固耦合相互作用是船舶与海洋工程领域的经典问题,例如出入水砰击、液舱晃荡和涡激振荡。相关问题涉及复杂的流动特性包括非线性自由表面、复杂多体与结构大变形等,数值模拟此类流固耦合问题面临巨大挑战。针对复杂多体、三维自由表面、大变形流固耦合数值模拟问题,目前已有的文献多借助于商业CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Solid Dynamics)软件平台,鲜有涉及自主开发的流固耦合计算平台。本文发展了一个基于直角网格方法的多相流固耦合计算模型,采用Fortran 90语言开发了相应的计算程序,并模拟了刚性或柔性边界流固耦合相互作用问题。主要研究内容如下:介绍了控制不可压缩粘性流动的N-S(Navier-Stokes)方程及离散方法。在交错直角网格上以时间半隐式有限差分法离散控制方程,分步法结合TVD-RK3(Total Variation Diminishing-Third Order Runge-Kutta)格式进行时间推进,TVD-MUSCL(Monotonic Upstream-centered Scheme for Conservation Laws)格式离散对流项,ICCG(Incomplete Cholesky Conjugate Gradient)算法求解压力泊松方程离散形成的线性方程组。以Taylor-Green流动为例,验证了本文N-S方程求解器的空间和时间精度。针对任意刚性或弹性动边界流动模拟,提出径向基函数虚拟网格法。其中,引入径向基函数(Radial Basis Function,RBF)拟合任意刚性甚至弹性物体表面,并根据等值面距离函数有效识别网格的属性状态;开发RBF插值技术以重构虚拟网格变量值,进而施加复杂物面的无滑移边界条件;针对动边界压力振荡问题,提出虚拟网格框架下的面积分数表示方法通过修正压力泊松方程以提高局部质量守恒性,进而降低压力振荡。为验证本文提出方法的精度和可靠性,模拟了三维质点绕流、圆柱振动、机翼横摇和质点自由下落算例。为了捕捉强非线性自由表面,基于二维梯度增量level set(Gradient-Augmented Level Set,GALS)两相流方法,发展了三维GALS两相流模型。另外,提出距离函数重置方法以处理三维自由表面和任意固体边界之间的接触边界条件,以将GALS方法扩展到模拟波浪结构物相互作用问题。在该GALS两相流模型中,采用广义CIR(Courant、Isaacson、Reese)方法同时耦合求解level set和其梯度方程以提高界面捕捉精度,以Hermite立方插值方法计算空间任意点变量和Lagrange多项式格式插值速度向量,在窄带内以修正的Newton方法进行界面再初始化。基于本文两相流方法,模拟了横向激励下矩形液舱晃荡问题、波浪传播和三维溃坝算例,验证了该法的精度、良好的质量守恒性和对三维问题的适用性。针对柔性体的大位移、变形响应预报,开发了绝对节点坐标(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)有限元方法的计算程序。针对柔性边界流固耦合问题,提出柔性界面质点重构策略以传递有限元网格与背景直角网格之间的界面信息。在该ANCF有限元方法中,推导了二维或三维欧拉、剪切梁模型,结合载荷增量法和Newton-Raphson迭代法求解非线性有限元方程组。以悬臂梁大变形和柔性单摆算例验证了本文ANCF计算程序能模拟弹性结构物的大位移、大变形响应。将本文提出的距离函数重置方法与虚拟网格法和GALS方法相结合,发展了一个多相流固耦合计算模型,模拟了三维波浪结构物相互作用问题。首先模拟了液舱横荡和纵荡耦合激励下长方体液舱的线性和非线性晃荡问题,与试验结果和解析解比较验证了本文计算模型的精度,进一步,分析了不同激励频率和横隔板高度对晃荡波浪和砰击载荷的影响。然后模拟了横摇激励下三维菱形液舱的晃荡特性,与试验数据比较进一步验证了该计算模型的精度和可靠性,并分析了不同充液水深对砰击载荷和自由表面爬高的影响。将本文提出的柔性界面质点重构策略与虚拟网格法和ANCF有限元方法相结合,发展了一个柔性边界流固耦合计算模型。首先模拟了均匀流中单个和并列水翼的横向振荡,分析了不同振荡频率和水翼间距对流体形态和升阻力系数的影响,阐释了鱼类向前游动的原理,给出了鱼类成群游动的水动力学解释。然后模拟了均匀流中单个和两个并列布置丝带的流致振荡特性,验证了该计算模型模拟柔性边界流动的精度和可靠性,对材料参数进行了敏感性分析,并分析了丝带在流体中的拍动振荡特性。