數(shù)值水池技術(shù)在船舶與海洋工程中的應(yīng)用

數(shù)值水池技術(shù)在船舶與海洋工程中的應(yīng)用

0在船舶與海洋工程研究設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用建議數(shù)值水池是利用計(jì)算水流（cfd）和高性能計(jì)算機(jī)等軟件和硬件工具，模擬和優(yōu)化船舶和海洋項(xiàng)目的流量性能。其數(shù)值模擬的效果就如同在物理水池中進(jìn)行的模型試驗(yàn),故稱數(shù)值水池。數(shù)值水池技術(shù)由船舶與海洋工程平臺外形幾何學(xué)、CFD、軟件工程學(xué)、圖形圖像學(xué)、數(shù)據(jù)庫、信息網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算機(jī)等技術(shù)融合而成,是當(dāng)代高技術(shù)的集成。與常規(guī)的物理水池模型試驗(yàn)相比,數(shù)值水池技術(shù)具有如下突出優(yōu)勢:(1)反應(yīng)快。如獲得一條船體阻力曲線,數(shù)值模擬耗時(shí)僅需幾小時(shí),而物理水池的模型試驗(yàn)周期(含模型設(shè)計(jì)制作、試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作和模型試驗(yàn)等)則需兩個(gè)月。(2)成本低。在上述“(1)”的條件下,數(shù)值模擬費(fèi)用最多僅需幾百元,而物理水池的模型試驗(yàn)費(fèi)用則高達(dá)幾萬元。(3)獲取信息多。一次數(shù)值模擬就可同時(shí)獲得物面作用力合力、物面作用力分布、流場速度分布等,而物理水池的模型試驗(yàn)則做不到。(4)精細(xì)化程度高。數(shù)值模擬中作用力和速度的計(jì)算可以精細(xì)化到“點(diǎn)”,而物理水池的模型試驗(yàn)一般只能測出宏觀量,測量不能精細(xì)化到“點(diǎn)”。應(yīng)用數(shù)值水池技術(shù)可以大量減少模型試驗(yàn)的次數(shù),顯著增強(qiáng)快速反應(yīng)能力,最大限度地降低研究設(shè)計(jì)成本,大幅提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,這必將引領(lǐng)船舶與海洋工程研究設(shè)計(jì)的跨越發(fā)展。因此,數(shù)值水池技術(shù)是一種又好又快的先進(jìn)技術(shù),在船舶與海洋工程設(shè)計(jì)、新型船舶與海洋工程開發(fā)以及綠色船舶與海洋工程創(chuàng)新中有著廣泛的應(yīng)用前景。數(shù)值水池技術(shù)對我國船舶工業(yè)科技具有十分重要的意義:(1)將給我國船舶與海洋工程設(shè)計(jì)的模式、水平和效率帶來革命性的變化,如同當(dāng)年信息高速公路的出現(xiàn)那樣,“設(shè)計(jì)高速公路”將會(huì)應(yīng)運(yùn)而生;(2)將推進(jìn)我國新型船舶與海洋工程的開發(fā),成為名副其實(shí)的創(chuàng)新發(fā)動(dòng)機(jī);(3)將給我國船舶與海洋工程的“綠色化”注入催化劑,引領(lǐng)我國船舶與海洋工程綠色化的發(fā)展方向;(4)將大幅提升我國船舶工業(yè)科技的軟實(shí)力,加快實(shí)現(xiàn)世界造船強(qiáng)國的進(jìn)程。國外先進(jìn)造船國家都在大力發(fā)展數(shù)值水池技術(shù),典型的如美國研究推出的虛擬試驗(yàn)技術(shù),歐盟研發(fā)的虛擬數(shù)值水池技術(shù)(VIRTUE)。國內(nèi)關(guān)于數(shù)值水池尚未進(jìn)行過系統(tǒng)的研究,只有零散的實(shí)踐,主要還是在商業(yè)軟件的平臺上進(jìn)行船舶與海洋工程的CFD計(jì)算,而自編專用軟件幾乎沒有。這與先進(jìn)造船國家相比,存在相當(dāng)大的差距。為了進(jìn)一步提高我國船舶與海洋工程的研究設(shè)計(jì)水平,增強(qiáng)新型船舶與海洋工程的研究開發(fā)能力,推進(jìn)綠色船舶與海洋工程技術(shù)的發(fā)展,研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、達(dá)到國際先進(jìn)水平的數(shù)值水池技術(shù)十分必要,刻不容緩。本文將各種數(shù)值水池的技術(shù)具體整合為一個(gè)能對船舶快速性、耐波性、操縱性、推進(jìn)器空泡流動(dòng)以及風(fēng)浪流中海洋工程性能等進(jìn)行數(shù)值模擬(含預(yù)報(bào)與優(yōu)化)的集成軟件系統(tǒng),提出了該數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)方案,包括總體思路、研究內(nèi)容、系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)和預(yù)期成果。1基于cfd的數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)總體思路可歸納為以下幾點(diǎn)。(1)組建代表國家水平的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì),以綠色船舶和海洋工程為工程依托,基于CFD、圖形圖像學(xué)、數(shù)據(jù)庫、軟件工程學(xué)、信息網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代軟/硬件技術(shù),研發(fā)能快速、精細(xì)地?cái)?shù)值模擬(含預(yù)報(bào)與優(yōu)化)船舶快速性、耐波性、操縱性、推進(jìn)器空泡流動(dòng)以及風(fēng)浪流中海洋工程性能的數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng),提供一種又好又快、具有自主知識產(chǎn)權(quán)和國際先進(jìn)水平的船舶與海洋工程研究設(shè)計(jì)新手段,并形成數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)與物理水池緊密結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)的先進(jìn)的研究設(shè)計(jì)模式。(2)按照系統(tǒng)工程的理念和方法,開展數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)的頂層策劃,進(jìn)行軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)與集成,開發(fā)下轄的軟件分系統(tǒng)和模塊。(3)以CFD為工具,以高性能并行計(jì)算機(jī)為載體,采用自編軟件和基于商用軟件的二次開發(fā)這兩種技術(shù)途徑開發(fā)數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)。但重點(diǎn)放在前者,因?yàn)樗倪\(yùn)算效率和精度將顯著高于后者。(4)各軟件分系統(tǒng)除了可作為整個(gè)軟件系統(tǒng)的組成部分參與整體運(yùn)行外,尚可單獨(dú)運(yùn)行和使用。(5)軟件系統(tǒng)、分系統(tǒng)和模塊應(yīng)運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、界面友好、使用方便,并留有可持續(xù)發(fā)展的空間和余地。2啟示4:海上浮船的“0.擬分為以下14個(gè)課題開展研究。(1)課題1數(shù)值水池軟件系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)①數(shù)值水池軟件系統(tǒng)概念設(shè)計(jì),②數(shù)值水池軟件系統(tǒng)技術(shù)路線和可行性研究,③數(shù)值水池軟件系統(tǒng)和分系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。(2)課題2船型和海洋工程平臺外形的表達(dá)與生成①NURBS曲線/曲面技術(shù)研究,②船型的NURBS曲線/曲面表達(dá)與生成技術(shù)研究,③海洋工程平臺外形的NURBS曲線/曲面表達(dá)與生成技術(shù)研究。(3)課題3工具性基本軟件開發(fā)該課題包括前處理、后處理、接口、管理等軟件的開發(fā)。(4)課題4船舶快速性數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)研發(fā)⑥軟件分系統(tǒng)集成與試驗(yàn)驗(yàn)證。②推進(jìn)器空泡性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。④船模波浪載荷數(shù)值模擬,②船?；剞D(zhuǎn)性能數(shù)值模擬,⑤軟件分系統(tǒng)集成與試驗(yàn)驗(yàn)證。②海洋工程模型風(fēng)浪流載荷的數(shù)值模擬,③風(fēng)浪流作用下帶系泊裝置的海洋工程模型運(yùn)動(dòng)與受力的數(shù)值模擬,⑥軟件分系統(tǒng)集成與試驗(yàn)驗(yàn)證。(10)課題10海洋工程特殊力學(xué)問題數(shù)值模擬(14)課題14數(shù)值水池軟件系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證研究3國內(nèi)船型與海洋工程性能數(shù)據(jù)庫框數(shù)值水池軟件系統(tǒng)的構(gòu)成與工作流程如圖1所示。這里需要說明的是,圖1中的船型與海洋工程性能數(shù)據(jù)庫框必不可少,它與其他許多框之間存在密切聯(lián)系。例如,它可以為船型和海洋工程平臺外形的表達(dá)、生成與優(yōu)化提供母型,為性能的評估與優(yōu)化提供比較對象,為試驗(yàn)驗(yàn)證提供參考標(biāo)準(zhǔn),等等。4海工平臺模型性能的數(shù)值模擬數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括:(4)推進(jìn)器空泡流動(dòng)數(shù)值模擬,(7)風(fēng)浪流中帶系泊裝置的海工平臺模型性能的數(shù)值模擬,(8)風(fēng)浪流中帶DP的海工平臺模型性能的數(shù)值模擬,(9)砰擊與上浪的數(shù)值模擬,(10)VIV與VIM的數(shù)值模擬,(11)MDO的應(yīng)用研究,(12)云計(jì)算的應(yīng)用研究,(13)數(shù)值模擬不確定度分析,(14)自編專用軟件研發(fā)。5船舶耐波性數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)功能(1)船舶快速性數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)具有船模阻力性能、船模水流場、槳模敞水性能、船模自航性能等的數(shù)值模擬功能和船舶快速性預(yù)報(bào)優(yōu)化功能。(2)推進(jìn)器空泡流動(dòng)數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)具有推進(jìn)器空泡流動(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào)和推進(jìn)器空泡性能優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。(3)船舶耐波性數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)具有規(guī)則波與不規(guī)則波、船模在波浪中運(yùn)動(dòng)、船模波浪增阻、船模波浪載荷、船模砰擊與上浪、船模波浪自航性能等的數(shù)值模擬功能和船舶耐波性預(yù)報(bào)優(yōu)化功能。(4)船舶操縱性數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)具有船模直航穩(wěn)定性、船?；剞D(zhuǎn)性能、船?！癦”形操舵性能、船模制動(dòng)性能等的數(shù)值模擬功能和船舶操縱性的預(yù)報(bào)優(yōu)化功能。(5)風(fēng)浪流中海工性能數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)具有風(fēng)浪流、海工模型風(fēng)浪流載荷、風(fēng)浪流中帶系泊裝置或DP的海工模型性能、VIV與VIM、流固耦合等的數(shù)值模擬功能和海工水動(dòng)力性能的預(yù)報(bào)優(yōu)化功能。(6)數(shù)值模擬不確定度分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法(7)數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)具有船?？焖傩?、耐波性、操縱性、推進(jìn)器空泡流動(dòng)和風(fēng)浪流中海工模型性能的數(shù)值模擬功能以及船舶和海工水動(dòng)力性能的預(yù)報(bào)優(yōu)化功能。6水動(dòng)力研究設(shè)計(jì)模式(1)本文提出的數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)方案可為其頂層設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)和提供依據(jù)。接下去可以對圖1的每一框進(jìn)行分解設(shè)計(jì),繪制細(xì)化的框圖,如此推進(jìn),直至滿足需求為止。由于數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)是一個(gè)十分龐大和復(fù)雜的系統(tǒng),研究設(shè)計(jì)工作必須從一開始就扎實(shí)做好,循序漸進(jìn),否則難以如愿。(2)如前所述,與物理水池相比,數(shù)值水池技術(shù)具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn),但受湍流模式、計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格數(shù)量等諸多因素的影響,它的精度尚有某種不確定性。按照目前和可以預(yù)見的未來的技術(shù)狀態(tài),數(shù)值水池不可能完全取代物理水池。數(shù)值水池與物理水池緊密結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)的方法是當(dāng)前最理想的代表國際技術(shù)發(fā)展趨勢的水動(dòng)力研究設(shè)計(jì)模式。(3)本文闡述的數(shù)值水池集成軟件系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)方案不一定是最優(yōu)的,可在研究開展后進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和進(jìn)一步完善。(1)船模阻力性能數(shù)值模擬,(2)船模水流場數(shù)值模擬,(3)槳模敞水性能數(shù)值模擬,(4)船模自航性能數(shù)值模擬,(5)實(shí)船航速預(yù)報(bào)研究,(5)課題5推進(jìn)器空泡流動(dòng)數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)研發(fā)(1)推進(jìn)器空泡流動(dòng)數(shù)值預(yù)報(bào),(6)課題6船舶耐波性數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)研發(fā)(1)規(guī)則波與不規(guī)則波的數(shù)值模擬,(2)船模在波浪中六自由度運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬,(3)船模在波浪中阻力增加的數(shù)值模擬,(5)船模砰擊與上浪的數(shù)值模擬,(6)船模波浪自航性能的數(shù)值模擬,(7)軟件分系統(tǒng)集成與試驗(yàn)驗(yàn)證。(7)課題7船舶操縱性數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)研發(fā)(1)船模直航穩(wěn)定性數(shù)值模擬,(3)船?！癦”形操舵性能數(shù)值模擬,(4)船模制動(dòng)性能數(shù)值模擬,(8)課題8航行性能的綜合評估與優(yōu)化(1)評估與優(yōu)化方法研究,(2)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)(MDO)應(yīng)用研究,(3)云計(jì)算的應(yīng)用研究。(9)課題9風(fēng)浪流中海洋工程性能數(shù)值模擬軟件分系統(tǒng)研發(fā)(1)風(fēng)浪流數(shù)值模擬,(4)風(fēng)浪流作用下帶動(dòng)力定位裝置(DP)的海洋工程模型運(yùn)動(dòng)與受力的數(shù)值模擬,(5)評估與優(yōu)化,(1)渦激振動(dòng)(VIV)與渦激運(yùn)動(dòng)(VIM)的數(shù)值模擬,(2)流固耦合數(shù)值模擬。(11)課題11船舶與海洋工程性能數(shù)值模擬不確定度分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法研究(1)船舶航行性能數(shù)值模擬不確定度分析,(2)風(fēng)浪流中海洋工程性能數(shù)值模擬不確