舰船水动力虚拟试验技术创新研究

刘 卉

(中国舰船研究院，北京 100192)

舰船水动力虚拟试验技术创新研究

刘 卉

(中国舰船研究院，北京 100192)

在分析了舰船水动力设计创新能力对虚拟试验的技术需求和挑战的基础上，提出了“舰船水动力设计评估与综合优化虚拟水池集成平台”。本平台以虚拟试验技术为核心，以计算机技术为依托，综合了物理试验技术能力与资源，并以数字化形式凝练起来，建成面向全行业、辐射其他装备制造业的、集物理与虚拟试验系统为一体的研究与应用平台，为舰船研究、设计模式的转变和创新提供强力支持，促进我国由造船大国向造船强国的转变，同时从行业层面推动我国向创新型国家的转变。

船型优化;水动力设计;虚拟水池

1 概述

21世纪是海洋的世纪!

站在可持续发展和全球战略的高度来审视新时期的海洋观，在陆、海、空、天四大空间中，海洋是支撑世界经济全球化的主动脉;海洋空间与资源不仅是当今世界军事经济竞争的重要领域，更是将来人类赖以生存、社会籍以发展、国家与民族持续安泰昌盛的资源宝库和战略基地。

控制海洋、开发利用海洋空间与资源的前提与核心基础是舰船(含海洋工程，下同)技术，而水动力学是舰船(含海洋工程装备，下同)总体技术的核心基础，综合水动力设计、评估是舰船设计阶段必不可少的重要组成部分。传统的舰船性能设计评估模式是:根据母型船/装备型线、模型试验资料，按照某种规则对型线加以修改得到目标船型，然后进行模型试验，并利用模型试验结果进行综合水动力性能评估。这种模式强烈地依赖于设计师的设计经验和数据库资料，周期长，不利于快速响应。

随着计算机技术和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)的快速发展，以CFD为核心、以计算机技术为依托的虚拟试验技术系统在船舶综合水动力性能设计评估中发挥着日益重要的作用。周期相对较短，可高效能地响应用户设计要求。

而虚拟试验技术系统与优化设计的融合，将会带来船舶设计超越传统的“革命”，促使工程设计从传统经验设计模式向知识化设计模式的转变(见图1)，从而摆脱对母型、设计经验和数据库的强烈依赖，并能启发设计师的创新思想。

目前，我国海洋装备的发展急需先进的研究手段和相应的新技术储备，而舰船综合水动力虚拟试验技术正是其核心的基础支撑技术，因此亟需大力发展。

图1 舰船水动力设计(优化)模式的转变Fig.1 Transform for design mode of ship hydrodynamics

2 虚拟试验技术系统的地位和作用

2.1 数值计算/CFD的地位

“今天，数值计算正在15年前未曾听说的领域中广泛应用。”——R.D.Richtmyer，1957。

时至50余年后的21世纪，Richtmyer这句话描述的情况仍在发生，并且在可预见的将来还会持续发生。目前，数值计算已广泛应用于科学研究以及各种工业、工程领域，并逐渐发展为与物理试验并驾齐驱的“虚拟试验”;同时，一些基于数值计算的新概念如“数字飞行”、“数字航行”等也开始出现。

CFD是数值计算中的一个非常重要的分支。CFD是利用计算机和数值方法对流体力学物理现象进行数值模拟与分析的一门学科，它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。在美国20世纪90年代的20项关键技术中，CFD技术被列为第8项，属最优先技术领域之一。目前，以CFD技术为核心的相关虚拟试验技术广泛应用于多种学科研究与工业领域，包括航空航天、船舶与海洋工程、汽车、发电、化工生产、聚合物加工、石油勘探、医学研究、气象学以及天体物理学等。

2.2 虚拟试验技术系统在国外科技与工业领域的应用

作为当今世界第一强国、同时也是创新能力最强的国家——美国，非常重视以计算科学/技术为核心的虚拟试验技术系统，将其定位为确保美国竞争力的重要关键技术(Computational Science:Ensuring America's Competitiveness，Report to the President，by President's Information Technology Advicory Committee)。在其优势的工业领域中，虚拟试验技术系统都发挥了重要作用。如在核工业领域，美国组织实施了ASC(Advanced Simulation and Computing)计划，保证了在此领域的世界领先地位。

在美国的标志性优势工业——航空航天领域，同样极其重视虚拟试验技术。Lockheed Martin公司20多年前就开始致力于虚拟试验技术的应用研究，以7个经过验证的空气动力学CFD软件为基础，初步建立了“数值风洞”。按传统方法研发新一代战机一般需要8～10年，而该公司依托虚拟试验等新的设计技术研制F117战机只用了5年时间。在民用航空领域，20世纪80年代，波音公司研制波音767飞机时，需制造并进行77个不同机翼的风洞模型试验;而在去年全球试飞成功的波音787，其全机风洞试验模型仅仅为2个，这在以前是难以想象的，而虚拟试验技术使之变成了现实。据统计，当今美国航空航天领域，虚拟试验约占飞行器气动设计工作量的70%，而物理风洞试验的工作量仅占30%。

在军用舰船/艇设计制造中，虚拟试验技术同样得到足够重视。20世纪90年代初，由美国防先进研究规划局(DARPA)和泰勒水池(DTRC)开始实施“先进潜艇技术计划(ASTP)的水动力学计划”。ASTP的目标是为开发“海狼”级潜艇提供设计所需的关键技术(Crucial Technologies)，促进未来潜艇设计观点的创新，发展革命性技术(Revolutionary Technologies)，引导创新概念的发展。其基本思路是建立计算技术体系，开发先进的虚拟试验技术以验证计算技术。这些研究和技术成果，在美国“海狼”级潜艇和DDG1000隐身水面平台的研制中都发挥了重要作用。

在欧盟，2004年，由德国汉堡水池(HSVA)牵头、荷兰水池(MARIN)、瑞典水池(SSPA)等国际著名水池联合发起了虚拟试验水池VIRTUE(The Virtual Tank Utility in Europe)计划，已于2005年1月1日正式开始实施。该计划在欧盟参与成员单位原有CFD工具的基础上，依托计算机和网络通讯技术，合作开发1套可靠的船舶水动力性能数值模拟技术，即虚拟水池技术。其目标是，与欧盟早些时候实施的实船试验验证计划(2003～2005年)一起，极大地提高欧洲船舶制造和船舶设计竞争力，增强欧洲水动力学服务供应机构的服务范围和质量以及其研发能力。

2.3 虚拟试验技术系统在国内船舶水动力领域的应用

国内船舶水动力学研究领域也相当重视虚拟试验技术在船舶设计和水动力性能评估中的应用及其发展。在“七五”～“十一五”发展规划的20余年里，追随国际各阶段的热点课题并开展相应的工作，方法的应用上基本保持了与国际水平同步的发展。

中国船舶重工集团公司自20世纪90年代中期至今，在基于数字化/虚拟的思想下，主持开发了SHIDS和SUBHIDS集成软件系统。这2个集成虚拟系统是面向水面船舶和水下潜艇的，基于半经验半理论分析公式和模型试验数据库的水动力性能预报、评估与优化集成系统。

国内在船舶综合航行性能的虚拟试验技术系统方面的研究、应用水平等总体上与国际先进水平还有较大的差距，主要体现在长效基础性研究重视不够，难以实现系统性的突破。虚拟试验技术系统的基础——高性能超级计算机，虽然得到了长足发展，已接近世界先进水平，在应用方面虽然基本保持了与国际水平同步的发展，但主要是针对商用软件的二次开发，在虚拟试验技术的核心关键——求解器和网格生成方面，自主开发的软件/代码较少，且实用化、集成化程度不够。这些，都极大地制约了虚拟试验技术系统的应用和进一步发展，难以支撑创新设计和设计水平的提高。

3 发展舰船水动力虚拟试验技术系统的必要性

3.1 建设创新型国家的需要

计算加速创新!这是国际科技工业界的共识。

当今世界，综合国力的竞争千帆竞发，以创新为核心的发展主导权竞争愈演愈烈。我国正处于由大国向强国迈进的关键时期，必须建设创新型国家，加快转变经济发展方式，推动我国经济尽快走上创新驱动、内生增长的轨道，才能赢得发展先机和主导权。科技创新在我国经济社会发展中起着不可替代的重要作用，培育新兴产业、改造传统产业、推动可持续发展、提升人民生活品质等都离不开科技创新。因而国家科技发展规划纲要中提出，到2020年我国要跻身创新型国家行列。以CFD技术为核心的舰船水动力虚拟试验技术将会从船舶行业层面推动我国向创新型国家的转变。

3.2 提高船舶行业竞争力的需要

船舶制造业是我国的支柱产业之一，也是控制海洋、开发利用海洋空间与资源的基础保障，已被列入国家十大产业调整和振兴规划。

目前，我国正处于由造船大国向造船强国转变的关键阶段，同样面临着异常激烈的竞争。在技术水平方面，与世界先进国家水平的综合差距在10年以上，而在劳动力成本方面又高于一些发展中国家。因此，我国造船业要在“前有堵截、后有追兵”的危险局面下“杀出重围”，实现由造船大国向造船强国的转变，必须大力提高国际竞争力。加快提升科技创新能力是提高国际竞争力的重要措施和基本保证，而建设以虚拟试验技术为核心、高性能超级计算机为依托的虚拟试验技术系统，将推动船舶性能设计实现革命性的跨越，为船舶研究、设计提供自主创新型的核心能力。

3.3 应对气候变化、节能减排的需求

人类已进入了新里程碑的发展阶段，低碳经济成为第四次工业革命的标杆。全球温室气体(CO2)的排放中，海上航运的贡献(不包括内河)占3%，有毒气体(NOx，SOx)的排放中则占30%以上，这些已经纳入国际共管的范畴。与船舶相同，海洋工程装备尽管其排放总量少于航运，但其平台装备也是石化能源消费大户，在这场低碳革命中成为改造革新的对象。

在MEPC第58次会议上，IMO制定和推出“能效设计指数”(即EEDI)作为新造船能效的衡量标准，并形成了“新造船EEDI计算方法临时导则草案”。第59次会议对EEDI导则草案做了进一步修订，并以通函方式散发。EEDI导则旨在激励船东及船舶设计者通过技术改进和使用节能技术使得新造船在设计和建造时，就尽可能达到较高的能效标准。

而我国船舶行业高技术、高附加值船舶的设计水平和生产能力不足，船体优化设计缺乏核心技术，船用节能技术的研究应用基础薄弱。一旦能效设计公式强制性实施，将构成行业的技术高门槛，威胁发展中国家造船业的发展，暴露出我国船舶工业的致命缺陷，影响市场竞争力。而虚拟试验技术系统，可望在上述方面发挥重要的作用。

因此，发展以虚拟试验技术为核心、高性能超级计算机为依托的虚拟试验技术系统，不仅是增强我国船舶行业创新能力、提升国际竞争力、适应国际新标准的迫切需求，同时也是从行业层面推动我国向创新型国家转变的需求。

4 舰船水动力设计评估与综合优化虚拟水池集成平台

4.1 目标图像

舰船水动力设计评估与综合优化虚拟水池集成平台的目标图像为:依托已有的模型试验研究基地和扎实的技术积累，发展虚拟试验技术体系，集成于数值水池平台，建成引领国际船舶水动力性能设计和船型创新技术能力建设发展方向的、世界领先水平的重大科技工程基础设施。具体而言就是，把以中国船舶重工集团公司为代表的科研机构所具备的达到国际先进水平的船舶综合航行性能研究、评估、设计能力与资源(包括物理试验和虚拟试验2方面)，以数字化的形式凝练起来，建成集物理试验系统与虚拟试验技术系统为一体的科学研究与工程应用创新平台(如图2)，面向船舶行业、辐射其他装备制造业。本设施在国际上属概念独创，建成后综合实力将达到国际领先水平，可大大增强我国船舶行业的创新能力，提升国际竞争力，有力推动由造船大国向造船强国的转变。

图2 虚拟水池集成平台目标框图Fig.2 Target figure for integrated numerical tank platform

4.2 总体技术方案

船舶综合航行性能虚拟试验技术系统是以虚拟试验技术为核心、高性能超级计算机为依托的船舶创新研究、设计平台，其总体技术方案如图3所示(虚线框内部分)。

可以看出，集成平台发展规划成3大部分:第1部分为虚拟试验技术系统的发展;第2部分为物理试验技术能力与资源的数字化;第3部分为联接虚拟试验技术系统与物理试验技术系统、设施与船舶研究设计人员的桥梁——标模试验验证和试验数据(包括物理试验数据和虚拟试验数据)管理系统(Test Data Management，TDM)。该平台综合凝练了虚拟试验技术系统及物理试验技术系统的能力与资源，促进船舶设计观点的创新，支持先进概念原型的实现。

图3 总体技术方案框图Fig.3 Integrated technical precept

第1部分是集成平台的主要部分。首先进行硬件建设(包括厂房及附属设施、超级计算机和高速网络设备等)，通过与配套软件的有机结合(包括系统软件、应用软件的购置、开发、调试和测试等)，形成虚拟/模拟的平台;虚拟平台与经过系统验证的虚拟试验技术的有机结合，形成虚拟试验技术系统;系统的功能和性能可以不断扩展、完善和升级。

第2部分是将物理试验技术能力与资源的数字化。已有的优秀物理试验数据(包括模型与实船试验数据)，运用数据库技术，建设成船舶综合航行性能数据库系统;数据库系统能不断扩充、完善和升级，甚至将来虚拟试验技术系统的虚拟试验数据也可以纳入数据库系统。

第3部分是联接设施各部分以及设施与研究应用者的桥梁。使用物理试验技术系统，开展系列标模基准检验试验，对虚拟试验技术进行系统的验证;虚拟试验技术系统的虚拟试验数据、物理试验技术系统的物理试验数据以及数据库系统中的试验数据，都将通过TMD系统处理后提供给研究应用人员使用。

4.3 关键技术

本集成平台所涉及到的关键技术较多，归纳起来主要包括以下几个方面:

1)虚拟试验技术。虚拟试验技术是本集成平台的核心关键，它涉及到虚拟试验数学建模、高效高质量网格生成、虚拟试验数学模型求解以及虚拟试验与结果海量数据的情景化展示等多方面的技术。

2)标模基准检验试验及其不确定度分析。标模基准检验试验数据是校验虚拟试验技术及虚拟试验结果的最重要的“标尺”，这一“标尺”准确与否、是否可靠，将直接影响到虚拟试验技术是否适用。因而，高质量的物理模型基准检验试验是本设施建设的关键技术之一。

3)大规模计算机集群高效并行技术。随着虚拟试验系统研究和解决科学与工程问题的不断深入和复杂程度的提高，对虚拟试验的计算量、鲁棒性等方面都提出了越来越高的要求，需要大力发展大规模高效并行计算技术。

4)船舶综合航行性能数据库。船舶综合航行性能数据库系统，是所有船型和试验数据的集散地，其中包含并不断吸收各种优秀的物理试验数据，同时也可纳入有效和优秀的虚拟试验数据。优秀的数据库系统是高效、高质量地开展船舶设计、试验、制造及理论科研的强有力的数据支撑，能大大提高设计水平和设计速度。

5 结语

本文结合我国船舶行业的急迫需求，提出了以虚拟试验技术为核心、计算机技术为依托，并综合了物理试验技术能力与资源的“舰船水动力设计评估与综合优化虚拟水池集成平台”。本集成平台在国际上属概念独创，将以中国船舶重工集团公司为代表的研究机构所具备的国际先进水平的船舶综合航行性能研究、设计等能力与资源以数字化形式凝练起来，建成面向全行业、辐射其他装备制造业的、集物理与虚拟试验系统为一体的研究与应用平台;为船舶研究、设计模式的转变和创新提供强力支持，大大缩短船舶设计周期、降低设计成本、促进创新设计、提高整体设计水平，有力促进我国由造船大国向造船强国的转变，同时从行业层面推动我国向创新型国家的转变。

致谢:本文的工作得到了中国船舶科学研究中心沈泓萃研究员和赵峰研究员的大力支持和帮助，作者在此表示衷心感谢!

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Innovative research on ship hydrodynamic virtual experiment

LIU Hui
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Technical challenges and demands to develop virtual experiment ability for ship hydrodynamic innovative design and research were demonstrated in the paper.A new concept of“integrated numerical tank platform for design，evaluation and optimization of ship hydrodynamics”was overall outlined.The kernel of the integrated platform is virtual experimental technique which supported by computational methods and updated infromation technology.The existed resources of physical model tests will be also included into the system by the link of TDM.An unprecedented capability will be brought to the ship hull innovative design and its hydrodynamic performance evaluation to improve the hull design and hydrodynamic greatly.

ship optimization;hydrodynamic design;numerical tank

U661.3

A

1672－7649(2011)06－0125－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.029

2011－05－06

刘卉(1969－)，女，高级工程师，从事水动力学技术研究。