自主研發(fā)我國船模數(shù)值水池的初步設(shè)想

自主研發(fā)我國船模數(shù)值水池的初步設(shè)想

1數(shù)值水池的概念研究是船舶水動力學(xué)發(fā)展的方向之一航行性能是船舶的基本性能，也是船舶全球技術(shù)的中心基礎(chǔ)，包括許多學(xué)科。長期以來,航行性能的研究主要依靠模型試驗實現(xiàn)。為此,一個多世紀(jì)來,世界上建成了大量的、耗資巨大的船模試驗水池和水筒,為航行性能的研究提供了模擬試驗環(huán)境。迄今,世界上已具規(guī)模的船模試驗水池數(shù)以百計。其中大型試驗設(shè)施主要有船舶快速性研究所需的拖曳水池、空泡與噪聲性能研究所需的空泡水筒或循環(huán)水槽、船舶操縱性研究所需的旋臂回轉(zhuǎn)水池、船舶耐波性研究所需的風(fēng)浪流水池等等。這些功能各異、耗資巨大的物理模型試驗設(shè)施構(gòu)成了船舶航行性能研究所必需的試驗環(huán)境和手段。歷史上,這是一個造船大國和造船強(qiáng)國不可缺少的基本研究條件。近20年來,由于計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,許多以往根本無法實現(xiàn)的數(shù)值計算逐步成為可能,船舶計算流體力學(xué)(SCFD)得到了蓬勃發(fā)展。運用數(shù)值模擬手段大幅度地代替物理模型試驗,這一由來已久的追求理想已凸現(xiàn)出實現(xiàn)的契機(jī),數(shù)值水池概念的實際工作正向我們逼近。目前,國際船舶航行性能預(yù)報和評估領(lǐng)域內(nèi)正在掀起一場技術(shù)革命,該技術(shù)革命的本質(zhì)就是試圖建立一個以船模數(shù)值水池為基礎(chǔ)的船舶航行性能分析評估、預(yù)報及優(yōu)化設(shè)計的虛擬綜合集成體系,挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的以船舶物理模型試驗為基礎(chǔ)的研究模式。毫無疑問,這已成為當(dāng)前世界造船大國和造船強(qiáng)國水動力學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大目標(biāo)和方向之一。因此,我國必須奮起直追,并只能立足于自主創(chuàng)新,迅速搶占這一船舶水動力學(xué)高科技發(fā)展的制高點。本文將以三大主力船型及新船型的創(chuàng)新研究為主要需求背景,以加強(qiáng)基礎(chǔ)、提高能力為著眼點,以現(xiàn)代計算流體力學(xué)(CFD)為技術(shù)基礎(chǔ),以先進(jìn)計算機(jī)技術(shù)為依托,按照系統(tǒng)工程的思想方法,提出自主研發(fā)成套的、可用于船舶航行性能分析評估和優(yōu)化設(shè)計的各類數(shù)值水池綜合集成體系的頂層策劃思路和初步設(shè)想,以滿足我國船型技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展需求,提高我國船舶總體性能設(shè)計的整體水平和質(zhì)量,縮短設(shè)計周期、降低研制成本和設(shè)計風(fēng)險,推動船舶性能設(shè)計由以物理模型試驗預(yù)報和經(jīng)驗評估分析為主流的傳統(tǒng)設(shè)計模式,迅速地向以虛擬試驗預(yù)報和計算機(jī)評估優(yōu)化為主的敏捷化、數(shù)字化設(shè)計新模式轉(zhuǎn)化,為我國船舶設(shè)計思想方法的自主創(chuàng)新和設(shè)計技術(shù)能力的跨越發(fā)展奠定基礎(chǔ)。2船舶水動力數(shù)值水池cfd的發(fā)展早20多年前,洛克希德·馬丁公司就開始致力于空氣動力學(xué)領(lǐng)域的虛擬試驗技術(shù)研究,并初步建成了以七大計算空氣動力學(xué)軟件系統(tǒng)為基礎(chǔ)的虛擬試驗手段——數(shù)值風(fēng)洞,使美國新一代戰(zhàn)機(jī)F117戰(zhàn)機(jī)的研制周期幾乎縮短了一半的時間,充分展示了虛擬試驗技術(shù)在平臺構(gòu)型創(chuàng)新和設(shè)計技術(shù)跨越發(fā)展中的核心地位和重要作用。與此對應(yīng),隨著自由液面數(shù)值模擬技術(shù)的突破,船模數(shù)值水池技術(shù)近年來也取得了重要的進(jìn)展,并迅速發(fā)展成為了一場里程碑式的技術(shù)革命。這場革命的含義主要在于運用世界上最大的超級計算機(jī)和拓展船模物理水池試驗功能的水動力學(xué)數(shù)值計算方法的介入。船模數(shù)值水池的實現(xiàn),即運用超級機(jī)求解水動力學(xué)方程,使人們可以以任何方式去獲得數(shù)據(jù),再借助高精度的物理水池測量技術(shù)迅速地對計算進(jìn)行基準(zhǔn)檢驗或標(biāo)定,并不斷拓展該信息數(shù)據(jù)庫,從而可有效地將船模試驗結(jié)果外推到實船。眾所周知,數(shù)值水池的重要基礎(chǔ)是CFD技術(shù)。船舶領(lǐng)域的CFD應(yīng)用研究始于上世紀(jì)60年代。上世紀(jì)70年代提出的,基于雷諾平均的納維-斯托克斯(RANS)方程的黏流場數(shù)值求解方法,已逐漸被大家接受并得到迅速發(fā)展。今天,CFD研究的船體幾何外形復(fù)雜性越來越高,趨于與實際情況相符合,計算機(jī)硬件及速度的提高使得同時考慮船體、附體、螺旋槳和自由面逐漸成為可能。目前,CFD不單可用于船形設(shè)計的多方案選優(yōu),基于CFD的船形優(yōu)化也已取得重大突破;不但在船舶快速性研究方面得到應(yīng)用,在操縱性、耐波性方面也同樣受到關(guān)注。如今,CFD方法在船舶早期設(shè)計階段同船型及性能數(shù)據(jù)庫一起,已被國際造船技術(shù)先進(jìn)的國家廣泛采用,大大擴(kuò)展了設(shè)計方案選擇的范圍、縮短了設(shè)計周期,有效地促進(jìn)了船舶綜合優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展。數(shù)值水池需要發(fā)展一批成熟、可靠、經(jīng)驗證的專業(yè)CFD軟件。盡管人們早已開始應(yīng)用零星的CFD方法進(jìn)行船舶某單項航行性能的評估研究,但限于當(dāng)時的技術(shù)水平,CFD軟件的功能、計算條件還與船模數(shù)值水池有相當(dāng)大的差距。2004年由德國漢堡水池(HSVA)牽頭、荷蘭水池(MARIN)、瑞典水池(SSPA)等7個歐洲最主要的船舶科技發(fā)達(dá)國家的23家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起了虛擬水池VIRTUE(TheVirtualTankUtilityinEurope)計劃,獲得了歐盟1500萬歐元的資助,已于2005年1月1日正式開始實施。VIRTUE由5大技術(shù)工作模塊構(gòu)成:虛擬拖曳水池、虛擬耐波性水池、虛擬操縱性水池、虛擬空泡水筒、綜合集成平臺。該計劃擬用四年時間,在歐盟參與成員單位原有CFD工具的基礎(chǔ)上,合作開發(fā)一套綜合集成的船舶水動力性能數(shù)值水池平臺,極大地提高歐洲的先進(jìn)船舶設(shè)計競爭力,增強(qiáng)歐洲水動力學(xué)服務(wù)供應(yīng)機(jī)構(gòu)提供服務(wù)的范圍和質(zhì)量以及其研發(fā)能力,以與亞洲強(qiáng)大的先進(jìn)船舶制造能力相抗衡。歐盟的VIRTUE計劃,可以說是國際上首次提出的、全面而又系統(tǒng)的船模數(shù)值水池策略架構(gòu),具有很強(qiáng)的學(xué)科指南意義。國內(nèi)船舶水動力學(xué)研究領(lǐng)域十分重視CFD技術(shù)的發(fā)展。在“七五”~“十五”發(fā)展規(guī)劃的近二十年時間里,以中船重工第七○二研究所為主要代表的一些科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了持續(xù)的計算船舶流體力學(xué)的應(yīng)用研究工作,在有限的資金支持下,追隨國際各階段的熱點課題開展工作,在方法的應(yīng)用上基本保持了與國際水平同步發(fā)展。經(jīng)過近二十年的技術(shù)積累,國內(nèi)的CFD應(yīng)用已基本突破了計及自由面、附體和螺旋槳的船舶流場模擬的關(guān)鍵技術(shù),逐步在整船流場分析、船體與推進(jìn)器相互干擾、快速性能預(yù)報、操縱性能分析、船型及推進(jìn)器的設(shè)計評估等研究領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。應(yīng)該承認(rèn),目前國際船舶水動力學(xué)領(lǐng)域興起的旨在大幅提高研究水平和研究能力的數(shù)值水池技術(shù)革命,國內(nèi)在技術(shù)基礎(chǔ)上尚有差距,但也具備了十分可貴的啟動條件。面對我國船舶工業(yè)的發(fā)展需求,特別是建設(shè)世界第一造船大國和造船強(qiáng)國的目標(biāo)迫切需要我們創(chuàng)新先進(jìn)的研究手段、建立相應(yīng)的新技術(shù)儲備。傳統(tǒng)的船舶水動力性能設(shè)計,主要依靠物理模型試驗和經(jīng)驗評估方法,費用高、周期長,制約了船型創(chuàng)新構(gòu)型和性能精細(xì)預(yù)報評估方法的發(fā)展,船模數(shù)值水池正是滿足這些需求的一項核心基礎(chǔ)技術(shù)。3船模型價值池頂部設(shè)計3.1系統(tǒng)工程分布實施與建造船舶物理模型試驗水池類似,建設(shè)船模數(shù)值水池同樣是一項龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程,可以分布實施?？紤]到國內(nèi)CFD應(yīng)用能力的發(fā)展?fàn)顟B(tài),現(xiàn)階段宜運用國內(nèi)基本成熟和有望達(dá)到實用要求的CFD工具來搭建起開放式的船模數(shù)值水池系統(tǒng),一旦其它數(shù)值試驗條件成熟,可以添加模塊的方式隨時擴(kuò)充進(jìn)來。3.2縱、耐波性綜合評估試驗根據(jù)需求分析和本領(lǐng)域國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和差距的分析,擬定的船模數(shù)值水池系統(tǒng)的總目標(biāo)為:以三大主力船型及新船型的創(chuàng)新研究為主要需求背景,構(gòu)建船舶水動力性能分析評估虛擬試驗?zāi)Ｐ秃统商准夹g(shù),重點突破前期設(shè)計階段船舶快速性、操縱性、耐波性綜合評估分析所需的高精度、高精細(xì)度數(shù)值模擬及其驗證方法和綜合評估分析關(guān)鍵技術(shù),建立包括船體繞流場分析、快速性、耐波性、操縱性等主要航行性能的數(shù)值水池試驗功能,部分替代物理模型試驗并可拓展物理試驗難以實現(xiàn)的功能,提升創(chuàng)新能力,為船舶水動力及噪聲性能分析評估、船型優(yōu)化設(shè)計以及新船型開發(fā)提供先進(jìn)的技術(shù)手段和基礎(chǔ)能力。系統(tǒng)的性能目標(biāo)為:數(shù)值試驗的逼真度和精細(xì)度滿足船舶快速性、耐波性、操縱性預(yù)報和方案優(yōu)化、多方案優(yōu)選的工程實用要求;用于數(shù)值水池的CFD計算不確定度指標(biāo)達(dá)到國際船模試驗水池會議(ITTC)確定的同類計算的先進(jìn)水平;與物理模型試驗相比,研究周期縮短一倍以上。整個研究的思路如圖1所示,本文僅給出其中頂層設(shè)計部分的主要結(jié)果。3.3綜合集成模塊為實現(xiàn)上述目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo),采用模擬船舶水動力性能設(shè)計螺旋過程與物理模型水池試驗相比擬的思路,可將研究內(nèi)容分解為由一個概念探索模塊、五個工作模塊(可擴(kuò)充)和一個綜合集成模塊構(gòu)成,見圖2。其中,概念探索模塊將吸納前瞻性、基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性較強(qiáng)的CFD軟件組成,主要用于新概念、新方法探索;功能模塊主要對應(yīng)國內(nèi)業(yè)已形成體系的各類不同用途的物理模型水池試驗設(shè)施,每一功能模塊由若干成熟的CFD工具(軟件)構(gòu)成,分別對應(yīng)物理試驗中用途各異但又相互關(guān)聯(lián)的測試設(shè)備或儀器;綜合集成模塊主要解決不同模塊與軟件之間的通訊與數(shù)據(jù)交換問題,并使數(shù)值水池形成一體化的集成平臺,為綜合評估和優(yōu)化設(shè)計及新船型、新技術(shù)的創(chuàng)新服務(wù)。主要研究內(nèi)容包括以下七大方面,參見圖3。A.船舶綜合航行性能數(shù)值水池試驗系統(tǒng)頂層設(shè)計與建模技術(shù)研究B.船型及推進(jìn)器幾何生成與修改設(shè)計軟件研制C.船模周圍流場和波浪環(huán)境的數(shù)值模擬及驗證技術(shù)研究G.船舶綜合航行性能數(shù)值水池試驗系統(tǒng)集成化技術(shù)研究其中需要重點研究的關(guān)鍵技術(shù)有:(3)幾何表達(dá)參數(shù)化與細(xì)節(jié)修改技術(shù)(8)船舶機(jī)動中分離流誘導(dǎo)非線性水動力預(yù)報及驗證技術(shù)(9)波浪誘導(dǎo)非線性載荷與響應(yīng)的預(yù)報及驗證技術(shù)(10)數(shù)值水池試驗系統(tǒng)流程中的接口與界面技術(shù)可以看到,這些關(guān)鍵技術(shù)不僅涉及許多工程技術(shù)方面的難題,而且還與大量先進(jìn)概念探索和基礎(chǔ)性研究密切相關(guān)。3.4關(guān)鍵控制計劃的想法如同國外船模數(shù)值水池研究提及的熱點和難點,我們可以將上述的關(guān)鍵技術(shù)歸結(jié)為三大類:(1)基于優(yōu)化設(shè)計的shds系統(tǒng)虛擬系統(tǒng)試驗借鑒大型軟件開發(fā)工程化的思路和方法,比照國內(nèi)業(yè)已形成體系的物理模型試驗水池的設(shè)備和儀器功能,利用大型水面運輸船舶綜合航行性能預(yù)報、評估與優(yōu)化集成軟件SHIDS系統(tǒng)開發(fā)取得的成果和經(jīng)驗,進(jìn)一步發(fā)揮創(chuàng)新思維,并借助于系統(tǒng)分析工具進(jìn)行虛擬系統(tǒng)的功能需求分析和系統(tǒng)設(shè)計,建立系統(tǒng)模型。(2)流cfd的應(yīng)用技術(shù)國內(nèi)船舶水動力性能研究的CFD軟件開發(fā),已有20多年的技術(shù)積累。目前,帶槳全附體船舶的快速性數(shù)值水池所需的黏流CFD方法的應(yīng)用技術(shù)已基本成熟;操縱性、耐波性數(shù)值水池所需的勢流CFD方法也接近實用,而黏流方法還處于發(fā)展之中。因此,構(gòu)件本系統(tǒng)的工具基本具備,但尚需對一些復(fù)雜流動現(xiàn)象和平臺響應(yīng)問題的CFD模擬技術(shù)進(jìn)行深入研究,如船體/組合推進(jìn)器相互干擾流動、風(fēng)浪流環(huán)境的數(shù)值模擬及船模的動態(tài)/非線性響應(yīng)、強(qiáng)機(jī)動運動中船體的分離流動等等。(3)地震水動力性能物理水池測量不確定度分析技術(shù)試驗方案基于目標(biāo)分解與比擬并拓展物理模型水池試驗功能指標(biāo)相結(jié)合的方法,借鑒國內(nèi)已初步建立的船模水動力性能物理水池測量不確定度分析體系和經(jīng)驗,對流場精細(xì)測量技術(shù)、基準(zhǔn)檢驗試驗數(shù)據(jù)庫技術(shù)展開集中攻關(guān),以確保該類關(guān)鍵技術(shù)取得突破。4數(shù)值模擬技術(shù)攻關(guān)下面我們主要依托中船重工第七○二研究所的研究工作,通過實例分別從快速性、操縱性、耐波性船模數(shù)值水池所涉及到的計算船舶流體力學(xué)的諸多應(yīng)用方向,給出目前國內(nèi)在此領(lǐng)域的最新進(jìn)展,提出CFD應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向?？焖傩苑矫?對模型雷諾數(shù)下船舶水動力性能的CFD分析精度取得了實質(zhì)性的突破,特別是阻力預(yù)報已可達(dá)到3~5%左右的精度,基本實現(xiàn)了補(bǔ)充(替代)模型試驗的工程實用要求,CFD工具已逐步在船型優(yōu)選中得到推廣應(yīng)用。參見圖4~8。但在模型縱傾、升沉,自航(特別是多槳)因子預(yù)報等方面,研究工作還剛剛起步,數(shù)值預(yù)報精度還需提高。操縱性方面:已開展對模型單平面運動的船舶水動力導(dǎo)數(shù)的CFD預(yù)報研究,取得了與模型試驗較為吻合的結(jié)果,參見圖9~11。但在模型強(qiáng)機(jī)動運動中船體的分離流動等方面,數(shù)值模擬的難度大,合理的湍流模擬方法還在探索之中。耐波性方面:已突破數(shù)值造波的技術(shù)關(guān)鍵,實現(xiàn)了規(guī)則波與非規(guī)則波的數(shù)值造波,并掌握了數(shù)值消波方法,開展了規(guī)則波頂浪中船舶水動力的計算,取得了與模型試驗較為吻合的結(jié)果,參見圖12~13。但在風(fēng)浪流聯(lián)合環(huán)境的數(shù)值模擬及船模的動態(tài)/非線性響應(yīng)等方面,數(shù)值模擬的難度和計算量都非常大,還需進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)。推進(jìn)器方面:基于RANS方法的螺旋槳水動力性能分析已成為常規(guī)技術(shù)手段,在設(shè)計點的分析精度達(dá)到了3%以內(nèi),基本滿足了螺旋槳設(shè)計的工程應(yīng)用要求。并開發(fā)了導(dǎo)管槳、對轉(zhuǎn)槳、吊艙推進(jìn)器及組合推進(jìn)器的CFD分析方法,取得了與模型試驗較為吻合的結(jié)果,較好地起到了對物理模型試驗的補(bǔ)充(替代)作用,參見圖14~17。但在推進(jìn)器葉梢精細(xì)流動結(jié)構(gòu)、非定常特性等方面,當(dāng)前的數(shù)值模擬困難非常突出,尚在技術(shù)攻關(guān)之中。CFD不確定度分析方面:在學(xué)習(xí)和消化ITTC的CFD不確定度分析臨時規(guī)程的基礎(chǔ)上,開展了對潛艇標(biāo)模SUBOFF流場及水動力的數(shù)值計算不確定度分析工作,參見圖18?CFD不確定度分析目前尚處于方法探索階段,國內(nèi)真正開展的實質(zhì)性工作還很少見,但其重要性不言而喻?開展船舶CFD不確定度分析方法研究,對發(fā)展的數(shù)值手段實施驗證與確認(rèn),應(yīng)該是發(fā)展船模數(shù)值水池的一項重要工作?5cfd的應(yīng)用前景展望由快速性、操縱性、耐波性船模數(shù)值水池構(gòu)成的船舶綜合航行性能分析評估虛擬試驗技術(shù)的研究開發(fā),將緊扣國際船舶技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展脈搏,發(fā)展我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的船舶計算水動力學(xué)應(yīng)用技術(shù),創(chuàng)建我國自己的船模數(shù)值水池試驗系統(tǒng)。其研究成果將集中體現(xiàn)和利用現(xiàn)代船舶CFD的成熟技術(shù),使現(xiàn)代CFD技術(shù)直接應(yīng)用于新船型設(shè)計,顯著減少船舶設(shè)計所需的物理