漫谈舰船计算流体力学（CFD）实用化

蔡荣泉 冯学梅

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

提起舰船计算流体力学（CFD），人们往往会联想到“模拟”，甚至是“虚拟”。其实舰船计算流体力学的推广应用也会遇到一些实际问题需要关注和解决。本文就此提出一些观点，仅是一家之言，期望对该技术的推广应用有所促进。

1 技术成熟度应受重视

新技术能否被客观接受而切实投入应用，其自身的成熟程度起至关重要的作用。人们往往把新技术的推广，寄希望于“宣传”，责怪受众的“观念”陈旧、保守。殊不知，首先需要转变观念的是技术开发者自身。技术开发者必须认识到，应该重视应用性科技的成熟度，包括重视技术本身的成熟度，重视培育该技术的应用能力并且不断提高应用水准。应用性技术有必要在应用中成熟，在成熟中推广。推广的力度和规模，应与技术成熟程度协调。唯此才能符合科学发展，才能真正体现绿色技术观念与高能效观念。

但凡新的、复杂的应用性技术，其开发过程理应包括提高技术自身成熟度的阶段、环节或子过程，这是技术得以转化为生产力的必要步骤，也是提升自身技术含金量的过程。并且，使技术成熟的过程或对新技术实现应用的过程，有其特有的技术难点。

流体力学研究物体的绕流或其内部流动。流动现象由一些基本方程所控制，对不可压缩流体运动的基本方程由连续方程、动量方程组成，如对于紊流流动尚需确定紊流特性量。目前有实用意义的求解方法是引入紊流模式，即称为“求解RANS方程”的方法。

依托“计算技术”和“计算方法”这两门学科的发展，使数值求解流动问题成为现实，从而使人们对流动现象的认识有了很大提高，也有效促进了流体力学学科本身的发展。事实上，试验流体力学发展了100多年，而计算流体力学发展至今仅30年左右。

计算流体力学是一门理论性、实用性都很强的学科，其自身特别是其应用，都在发展的过程中。计算流体力学已被日益广泛应用，但其成熟程度尚不能令人满意，有必要在应用中不断成熟。有关舰船计算流体力学应用方面的深入研究，以及相关技术能力的不断成熟提高，往往只能由使用者自身来完成，因此实践活动必不可少。

2 舰船水动力性能数值计算预报技术的成熟度评估标准

舰船计算流体力学的目的应该是：基于数值计算方法、针对真实对象、在真实状况下，对其流场、受力及相关物理现象，全面、准确、快捷地定量预报。这也应成为评估舰船CFD技术成熟度的标准，关键是“真实”、“全面”、“准确”、“快捷”。

如今，CFD已告别单纯理论研究的阶段，实用性是其重要属性，也是其最终归宿之一［1，2］。 船舶行业的水池部门，习惯上总是以追求优秀线型（即优化水动力性能）作为实际业务目的，以测量作为手段，当然也是基础。改进线型或改进水动力性能的能力成为评估水池部门业务水准的重要指标。由此，评估舰船CFD技术成熟度的标准还应包括：

（1）规程化（procedures，best practical guidelines）程度；

（2）对优化水动力性能的支持度；

（3）在机理分析研究中的应用程度。

3 “真实”和“全面”之不足

为简便、深入研究水动力性能，我们习惯将其分成快速性能、操纵性能和耐波性能三类，这是在一定条件、一定阶段，为便于研究而采用的方法。CFD原本是指计及粘性影响而求解RANS方程的方法，目前舰船CFD主要用于快速性能预报，快速性能仅指静水中的水动力性能。波浪中的水动力性能的研究，尤其是数值预报方法，也正日益受到重视。连续几届ITTC对此作出呼吁，并进行了持续、切实的努力。CFD正在逐步介入综合考虑环境影响 （如风、浪、流），以及船舶主动与机动的耐波、操纵性能预报，国内更是只处于初步启动状态，故难说系统与深入。

与“分”的方法相反，一些计算软件则采用“合”的方法，在开发（部分）计入环境影响以及船舶主动、机动的相关功能下，反之把快速性能看作不受这些影响的特例。不过，一旦考虑这些影响，以目前的硬件条件，仍难以胜任粘性流动的CFD数值计算。这使得目前的舰船CFD技术，就“真实”和“全面”而言，很难论述其成熟度。

下面，侧重于快速性能方面，论述舰船CFD技术的成熟度。

4 舰船快速性能CFD技术的现状和成熟度

就CFD的发展现状，不少文章有所述及，但切实的评估应该是分门别类的详细介绍。实际上已有些机构或组织十分关注CFD的发展，在CFD各个发展阶段，均对其状况作出评估，指出存在的问题，提出继续努力的目标和方向。本文不重复这些论述，仅就下述几个方面，为读者提供直接了解船舶CFD现状的一些途径。

4.1 ITTC的有关报告

近几届ITTC一直十分关注船舶CFD的发展，相关的各阶段性评估可在各常设委员会历届最终报告中见到［9］。在最近几届报告中，关于CFD的篇幅越来越多，相关的评论也越来越深入细致。第25届ITTC还成立了船舶CFD的专门委员会，且于2011年年中发表了工作报告。此外，第23届、第25届ITTC更安排组织了专门的分组讨论 （GD），讨论CFD的状况，相关文档也值得关注。特别是第25届ITTC的GD还特地关注了“非开发者”的看法。

4.2 欧盟研究与技术发展框架计划的有关项目

了解CFD状况的另一窗口是“研究与技术发展框架计划 （Framework Programmes for Research and Technological Development，简称为 FP）。 FP 是欧盟建立的资助项目，旨在支持和鼓励欧洲科学研究规划系统（European Research Area，ERA）的研究活动。ERA组织了欧盟内的医学、环境、工业和社会经济学领域的跨国合作。在欧盟FP的每一资助周期内，都制定了特定的目标、进行指定的研究活动。在标榜“安全”、“可持续”、“环境友好”、“有竞争力”等的运输技术分支项目下，设定了多个研究项目。这些研究项目有力地促进了舰船CFD应用技术的成熟和发展。

如 FP4（1994～1998 年）在 Area 3 的“运输技术（Technologies for Transport）”下 ，设 立 了 资 助 项 目MARNET-CFD。 FP5（1998～2002 年）在 Key Action 3的“陆上运输与海洋技术（Land Transport and Marine Technologies）”下资助（包含）下述项目：FANTASTIC、EFFORT、LEADING EDGE、EROCAV 等。而 FP6（2002～2006 年）的 7 个优先主题（Thematic Priorities）中的第6个优先主题为“可持续发展、全球性变化和生态系 统 （Sustainable Development，Global Change and Ecosystems）”，其所覆盖的第 2个主题领域（Thematic Areas）为 “ 可 持 续 水 面 运 输 （Sustainable Surface Transport）”。VIRTUE即是FP6的资助项目之一。跨国合作使各国科学资源得以集成。项目开展过程中，或者每年提出年度报告，或者组织若干次专题研讨会（workshop），实现跨国交流和沟通［3，4］。

由此我们可以看到，欧洲十分重视推进CFD的应用和现在的CFD技术发展。欧洲地区的船舶CFD应用发展，已拥有一个相当大的群体。欧洲几乎所有著名的水池机构，都对应用CFD技术非常热情，出现一大批应用的成果，并取得不少突破。

目前尚不清楚在这些项目研发过程中，各个成员单位各自取得的技术突破，如何成为所有单位彼此都能具备的常态性技术能力。如果这一由点及面的过程能顺利实现，将更实质性地提升整个行业CFD技术的应用水准。

4.3 有关CFD的专题研讨会

CFD存在很多数值方法和各种软件。针对相同的计算对象（船或桨），组织有关部门、单位，采用不同方法进行计算；同时安排对同一对象进行精细测量；汇集这些本以为相同但实际上并不相同的计算结果，对照测量结果进行比较评估。这类以会议形式进行的计算活动，人们称之为专题研讨会。测量结果有会前即已公开的，也有直到会上甚至会后才发布的，即为“盲算”（可能未能及时完成测量）。最早关于CFD的专题研讨会可能是1990年在瑞典哥德堡举行的会议，以后这类专题研讨会每隔十年在同一地点举行。可能是觉得十年间隔太长，1994年、2005年在日本东京也先后举行了两次研讨会。这五次研讨会主要针对船体以及快速性，但后两次已扩展到包含耐波性。针对桨的最近一次研讨会是2011年6月德国汉堡的SMP′11；关于操纵性的研讨会则是丹麦哥本哈根的SIMMAN 2008，并预定在2012年举行第二次研讨会。

事实上，ITTC的一些委员会也曾直接组织过类似的计算活动。只不过早期并不以会议形式，而是以问卷形式，即采用所谓通讯方式举行。甚至某些临时性专门委员会，就是为了组织这样的计算工作而专门设置的，也即其全部工作就是组织一次这样的计算活动，当然包括完成对全部计算结果的评估报告。近几届ITTC较少进行直接的组织，而是对选定的问题，提出组织相关专题研讨会的建议，即由直接组织改为提出动议，由通讯方式改为会议形式。再者，往往专题研讨会的组织者本身，同时也是ITTC的成员。可见这类专题研讨会与ITTC有着直接紧密的关联。

如前所述，欧盟FP之下的那些项目，也以专题研讨会的形式，在项目内部实现对项目进展的检查和检验。这些内部的专题研讨会有两种类型，即如一般学术会议发表论文和组织计算活动汇集发布计算结果。

组织这类计算活动的专题研讨会，其筹备工作相当繁杂，而其对推进CFD的发展所起作用不容低估。事实上，如瑞典哥德堡的会议，在CFD发展过程中已成为标志性事件。关注这类会议自然能直接了解CFD发展的状态。如果说ITTC的那些最终报告更多反映了CFD各阶段的热点和难点，那么这些专题研讨会所展示的是CFD各阶段相对最成熟的部分功能，以及就这些功能而言所达到的最高水准及普遍水准。这类会议所关注的是CFD最面向应用的那些技术环节。会议组织方提供所选定算例（船型或桨叶）的几何形状和物理测量数据，无疑是检验本单位CFD计算水准的现成材料，其所提供的总结评估报告，更直接有助于读者提高对计算结果的判读能力。

4.4 SMP′11专题研讨会及MARIC螺旋桨计算的现状

PPTC（Potsdam Propeller Test Case，波茨坦螺旋桨测试用例）桨为2011年6月18日结束的有关螺旋桨空化和推进性能的 SMP′11 Workshop（Second International Symposium on Marine Propulsors SMP′11，Hamburg，Germany，June 2011）的算例桨，这是五叶带侧斜桨，其桨模主参数见表1。

表1 PPTC桨模主参数

此次专题研讨会采用盲算方式组织计算活动，试验结果在所有计算结果全部提交之后，才由组织方以向参与者返回对比图表的方式予以公布。计算活动分为三部分：敞水性能、桨尾流和空泡流（标为case 2.1、case 2.2、case 2.3）。螺旋桨敞水性能、尾流场和空泡现象的数值计算方法的开发与验证，构成了目前螺旋桨水动力性能数值研究内容的主要部分。

参与这一活动的有 HSVA、INSEAN、SSPA、VTT、SVA、TUHH、CSSRC和中国船舶及海洋工程设计研究院（简称MARIC）等15家研究机构。其中MARIC的冯学梅与蔡荣泉参与了前两部分计算活动，第三部分也已完成但未按时提交。

现仅对直接参与的case 2.1和case 2.2进行讨论。至今我们尚未见到会议组织方对全部计算结果的点评文章，这里的评论仅是我们一家之言。

4.4.1 Case 2.1敞水性能

这一专题考察的是积分量Kt、10Kq、η。对积分量的评估讨论，比分布量要简单些。19份计算结果中的 17 份是针对全部 5 个 J值（J=0.6、0.8、1.0、1.2、1.4），另有2份仅算了后面4个J值。

会议组织方将各份结果与试验结果比较，对每份结果中每个J值的Kt、10Kq、η都给出绝对误差和相对误差。在此基础上，为了提供简捷且整体的了解，我们引进下述量D：

式中：ε为绝对误差，N为J值的个数。

对 Kt、10Kq、η 分别给出图 1（a）、（b）、（c），每张图上标出了19份计算结果相应的D值（N=5或4），以及整体平均值（N=93，在图上最右边）。

图1 PPTC桨敞水性能偏差D及其均值

可见，对 Kt，D≈4×10-4。 有 5 份结果，D≤1×10-4；8份结果，D≤2×10-4。D 最小的是 Cradle-SC/Tetra和MARIC-Fluent，分别为 1.9×10-5和 5×10-5。

总体而言，19份计算结果中，大约有40%的结果可全面实现D≤0.5，但仅有MARIC-Fluent全面实现了D≤0.1。

下面将给出MARIC-Fluent的结果，以及一个相对较差的结果（见表2与图2），以使读者能有相对全面的印象，这些图表均由会议组织方绘制。

表2 PPTC桨敞水性能对比（MARIC-Fluent）

图2 PPTC桨敞水性能对比

4.4.2 Case 2.2桨尾流

会议组织者收到了共13份计算结果。取定桨在x/D=0处，计算工况为进速系数J=1.253（V=7.204 m/s，n=23 rps）。对每份计算结果，绘制了在x/D=0.1和0.2面上的沿 r/R=0.7、0.97、1.0圆弧曲线上的 72°范围内的三个速度分量Vx（实际数据为1-Vx/V），Vr（Vr/V）、Vt（Vt/V）的计算与试验的分布曲线图。共6种图，13份计算结果总计78张图，每张图上6根曲线。这些量沿周向出现的局部起伏是桨叶尾流，特别是梢涡存在的反映，是旋转桨叶留在紧下游的踪迹。需要关注这些局部起伏的位置、幅度和范围。

当x/D=0.1，r/R=0.7。所有提交的结果中，Vt在72°范围内几乎处处偏高。-30°附近Vr的横S型起伏，均仅能算得“峰”而未能算得“谷”。各分量峰的位置算得比较准确的有五家，即Berg、VTT、MARIC、SSPA、UniTriest，但其中后四家中的三个分量的峰值均明显偏大。

当 x/D=0.1，r/R=0.97、1.0。 在这两个半径上，所有结果的Vt在整个范围内均偏大。三分量起伏位置较准的只有VTT和MARIC，但后者的起伏幅度偏大。相当数量的计算结果中，Vx的起伏幅度仅为试验的几乎一半。在r/R=1.0上，Vt出现的W型起伏也仅VTT和MARIC有所反映，但幅度均过小。

当x/D=0.2，r/R=0.7。所有结果的Vt全范围偏大。-50°附近三分量的隆起，其中Vt的隆起较难准确反映，就其位置、范围、幅值而言，较准的是UniGenua、MARIC、SSPA、UniTriest和 VTT。

当 x/D=0.2，r/R=0.97、1.0。所有结果中，r/R=0.97上Vx的起伏全与测量结果趋势相反，而r/R=1.0的Vx则均过大（偏向正值）。Vt的起伏变化均未能很好地捕捉到，相比较VTT也仅略好些。

13份结果中，有2～3份完全未能反映这些局部起伏，结果显示出几乎周向平均的特征。

这里，对一些速度分量，所有的计算结果都与试验有偏差，且发生几乎相同的偏向。这一现象的原因有待进一步深究。特别是当x/D=0.2，r/R=0.97上的Vx起伏全与测量结果的态势相反，尤使人存疑。同时可见，对桨尾流，包括梢涡的演化，定量上计算与试验之间尚存有一定的偏差，特别是前进到x/D=0.2时，Vt的起伏计算与试验的偏差更明显，试验结果中存在有起伏，而计算结果中只有少数几家勉强反映。大体上x/D=0.1的结果已可接受；而x/D=0.2的结果，数值计算在局部网格处理上，可能还需改进。旋转叶片尾流分布量的LDV测量水准可能也需不断提高。

对6张对比图进行综合评估，应该可以说，MARIC的计算结果在全部13份结果中都属上乘。现给出MARIC的计算结果，如图3所示。这些图同样均由会议组织方绘制。

图3 PPTC桨尾流对比（MARIC-Fluent）

由上述对Case 2.1和2.2的评估，可以看出，无论是对PPTC桨的敞水性能，还是尾流 （梢涡），MARIC的计算结果已完全达到“工程上可接受的精度”，甚至有点“冒尖”。这自然引起会议各方一定的关注。因系盲算，诚信度无可质疑。除归因于工作态度认真外，也反映了MARIC对Fluent软件应用已达到较高水准。但如何让“点”的冒尖带动“面”的提升，使对各种类型桨的计算普遍“冒尖”，尚需要继续努力。

4.5 采用数值计算所进行过的研究项目

了解至今直接采用数值计算所进行过的研究项目，也能对CFD应用的功能、现状和成熟度有印象性的认知。如MARIC近年来直接涉及的研究项目有：阻力（军舰、多类民船；低、中、高速船；实船、模型船）、伴流（不同方型系数船、不同尺度）、敞水（常规、侧斜、可调螺距桨）、桨/体干扰、桨/舵干扰、功率预报、纵倾升沉及其对阻力计算精度影响、尺度效应、方尾船尾流场（干、湿方尾）、吊舱桨、桨尾流、桨空泡、桨诱导压力脉动、多桨干扰、浅水效应、敞式循环水槽水跃现象、部分计算问题的不确定度分析。间接涉及的则有晃荡问题、横摇问题、线型优化问题，等等。

5 影响成熟度的一些长期存在的问题

（1）试验测量能力限制了实船阻力数值预报能力的评估和发展。应该认识到，CFD成熟度的提高，肯定与试验技术能力的提高密切相关；

（2）面对多种网格技术，不确定度分析技术发展过慢；

（3）需持续积累有全面测量数据可供对比的计算实例；

（4）样本分析基础上的“规程化”程度不高。这与上一问题有关；

（5）一些特殊流动现象的预报能力还较弱。如，空泡（振动、噪声）、碎波（船首、湿方尾）等。

6 影响成熟度的其他问题

（1）无论船还是桨，单体的绕流预报（阻力、尾流）均已比较成熟，但船、桨、舵组合体的绕流预报，尚需快速精准的方法。目前所倾向采用桨真实几何形状的方法，在现有硬件条件下难以实用化；

（2）尚需预报姿态的快速精准的计算方法，可能涉及计算策略；

（3）多方案对比选优不存在独立的可靠度，其可靠度依赖于目标量定量预报的精确度。需做对比的两个不同方案，其流动计算所用的网格必然会有所变动。一个技术问题是如何使这一网格差异对计算结果的影响降到最低。让一套空间网格随其边界曲面变化而发生相应的随动，而不是另行生成一套网格，对提升方案对比判断可靠度应比较有利。比如，可以尝试把变形物体的流动计算中采用的动态网格技术（网格变形技术）转用到方案对比中来；

（4）即使有条件采用较大规模的网格，也还需要对整个计算区域空间网格的疏密分布作合理的布局。除了壁面附近、几何形状和物理量值突变部位之外，还应在有特殊兴趣的部位及其依赖区域作出加密处理。其中前两种情况，也可借助网格自适应技术。而后一种情况，就需要人工实现。

7 技术的成熟要求认识的成熟

重视技术成熟度，反映认识的成熟。技术的成熟必须基于认识的成熟。目前存在着一些认识问题，会影响技术成熟度的提高。

（1）成熟的认识应该是全面的、客观的。应该对所研究的技术有全面深入的认识。不仅是其优势，而且要包含其弱势、缺陷和局限，它的能为与不能为、可行与不可行，必须包含该技术所引起的所得与所失。这里，严谨理应甚于激情。

（2）理论分析、数值计算、实验测量是科研三大手段，彼此综合应用，本是很自然的事情，已经存在于大量科研活动中。特别是恰当地组合使用计算与试验两种手段，并不是船舶CFD应用技术的倒退，而正是更成熟地应用船舶CFD技术的一种表现。组合应用是更高层次的应用。

（3）CFD用于机理分析，是其长处。但需具备计算以外的功力。不仅需要确定适当的研究方案，还需要对结果进行深入挖掘，细致思量。这其中往往隐含了比预想大得多的工作量，有时也许只能取得阶段性进展。应该容忍不同深度的机理分析研究，当然更鼓励具有深度的机理分析研究。

（4）必须认真提高应用性技术的成熟度，但不必刻意对其量化。技术门类繁多，应该有不同的衡量标准。一刀切简单量化成熟度，会不切实际而流于形式。用“样机”、“产品”衡量船舶CFD技术，更是风马牛不相及。重要的是随时明确当前阶段应该努力去干什么和如何去切实解决这些问题；并且在各个发展阶段，对CFD的状况作出评估，指出存在的问题，提出继续努力的目标和方向。

（5）“工程上可接受的精度”实际上是一种很高的要求。验证评估工程项目的计算，比课题研究中的计算往往需要更大的计算规模、更多的网格数。前者的失误可能需要付出高昂的代价，甚至生命。在工程计算中，不应该为了快捷而刻意缩小计算规模。加大投入、提高硬件档次，才是正确的途径。

（6）应关注导致结论的前提条件。应谨慎对待来自个例的结论以及数值计算中需设定的要素，如边界条件等。曾遇见过因取来流速度作下游出口边界条件，导致船上游一定距离的波高偏离零值，而无法定解的典型例子。

（7）必须注意计算与试验的状态高度一致。对此可以列举多个例子，其中最典型的是长期普遍存在的，不关注船模姿态固定还是自由之下对比阻力预报的精度。

（8）“点”上的突破有指导意义，但是，应继续“以点带面”的努力。“面”上的达标，样本统计意义上的达标，才意味着成熟。样本中不排除负面的个例，是实事求是的、科学的、成熟的表现。如前所述，“以点带面”还有另外二层意思。一是，这里的“面”指全面，即各种类型的船舶和船桨，都能达标；另一是指个别部门、单位的领先水准尽快转化成为行业内的普遍水准。这样，才是真实的达标，实现了先进的生产力。

（9）行业内的推广，除了配置必要的软件、硬件，还要人员、工时到位。后者常被忽视，导致价格不菲的软件被闲置。一个大的船厂，如果只有一、二个人，又仅以50%的工时花在CFD应用上，除非天才，否则很难迅速见效。

8 关于“数值水池”等概念的一些看法——关于数据测量与利用

“数值水池”的核心是数值计算技术，特别是CFD技术［6-9］。CFD技术依赖于计算机，相对于真实测量，本身具备“虚拟”的特征。应用CFD技术，实际就在进行“虚拟测量”。建立“数值水池”的目的就是构建“虚拟测量”的环境。“虚拟测量”其实就是“数值水池”具备的一种功能。“数值水池”这一概念，有利于促进CFD实用化。“数值水池”的提法，侧重于CFD的实用化，特别是定量预报问题。目前，“数值水池”主要指船的快速性能预报，并正在逐渐向耐波、操纵性能预报拓展。

在CFD发展的早期，“数值水池”的提法曾相当热门，后来一度冷落。“数值水池”提法的低落与重起，反映了人们对CFD技术定量预报能力认识的变化。定量预报问题，首先要解决的是积分量（如阻力、推力等）的准确预报，这要求能准确预报紧贴船体壁面的流场。而伴流是分布量，其准确预报则要求进一步对船体周围，特别是其下游一段距离范围内的流场也能予以准确预报。CFD领域曾经为此努力多年，但情况并不理想，以至有人质疑CFD技术是否具有定量预报能力，并一度很少有人提起“数值水池”，直至2005年前后，随着欧盟若干旨在促进CFD实用化的研究课题的开展，又被人们提起。近年来计算机硬件性能以及应用软件的水准都有迅速提高。经过近几年的持续努力，对准确定量预报已积累了一定的心得体会，这使得业者对船的快速性能精准定量数值预报重拾信心。如哥德堡2010、SMP′11等专题研讨会上，与会者提交的计算结果所反映出的情况颇为乐观，因此也有效增强了这种信心。

建立定量预报能力，势必要求重视计算结果的验证。特别是分布量的预报验证，使人们不满足于仅仅对积分量的测量，而使分布量的测量技术受到重视，加速了发展。如同物理试验测量一样，“数值水池”需要对其所确定的规程，就其计算结果进行“不确定度分析”。这是试验验证工作的必要组成部分。

从实用出发，“数值水池”应该全面完备其功能，其应该能够“全面”地定量预报船舶快速性能所关注的各种相关量。而且“数值水池”需要CFD技术的规程化。 例如“Best Practical Guidelines（BPG）”这一类文档，可看作CFD技术规程化努力的部分成果，特别需要积累有试验数据对照的算例，在样本分析的基础上归纳总结出所需的规程。这就需要建立算例样本数据库予以支持，而积累有试验数据对照的算例、建立有足够算例样本的数据库，不可能一蹴而就。所以CFD技术的规程需要不断改进，版本需不断升级。

与一般数值计算相比，“数值水池”应该还对前后处理环节更为重视。目前已知前处理所包含的网格生成，是定量预报最为关键的环节。CFD技术已经在早期设计、“虚拟设计”中发挥作用，利用其具备的“虚拟测量”功能，快捷地对一些方案进行初步评估比较。真实测量则是慎重的手段，对最终设计方案进行真实测量是慎重之举。目前，出现了设计过程中需要比对多个设计方案的情况，实现前后处理的批量处理的技术，也已引起关注。

后处理有不同的水准。技术人员、设计人员用以对计算结果进行技术分析的后处理，应向管理人员和有关领导汇报宣介所需后处理有明显不同。“数值水池”的数据处理应该追求实效。

数值预报技术应与试验预报技术互补，扬长避短。对“数值水池”来说，其分布量的预报与其积分量的预报密不可分。“数值水池”可直接进行实尺度计算而非仅仅模型尺度计算，如何采用数值方法实现实尺度预报，也是目前一个关注点。还期望这同时有助于改进模型试验基础上的实尺度预报方法。

“数值水池”的概念，实际上仅侧重于“数值水池”的构建。所思考的是这一概念之中所应包含的内容。思考的重点在于为促进CFD实用化，还应该做些什么。事实上，随着数值计算方法与实际需求的发展，一个个硬课题不断突破完成，相关软课题的答案，也形成在硬课题研究人员的心得体会之中，需要的是加以总结和整理。

完整的试验测量应该包括：确定测量方法、构建试验装置、读取测量数据、分析处理数据，通常把进一步利用数据，独立于试验测量之外。为充分利用测量数据而进行的种种努力，应该说超出了“试验测量”的范围。

船舶行业的水池部门，习惯上总是以追求优秀线型也即优化水动力性能作为实际业务目的，改进线型或改进水动力性能的能力已成为评估水池部门业务水准的重要指标，这已超出了“试验测量”所包含的“数据处理”范围，涉及的是对数据的利用能力。这里，人们还常常借助数据库技术对测量数据加以利用。因此，“数值水池”既要实现“虚拟测量”，还类似于真实水池机构，需要具有与改进线型相关的数据利用功能。

计算机技术的发展，对试验测量各环节产生影响。而对进一步利用试验数据的种种技术，影响则更为深刻。其主要是实现了试验测量和数值计算的综合应用，实现了对试验结果和计算结果的综合利用，即实现了真实与虚拟的对接。从而促进许多“数据利用”技术的发展，使“数据利用”成为了一个专门的技术门类，其中包括所谓“情景再现”技术。而在“情景再现”技术中，出现了数字式的“仿真模拟器”，甚至还出现了“虚拟现实”（VR）。尽管这些技术（尤其是其中的VR技术）至今还是昂贵的技术，但在真实情景危及健康甚至生命安全的领域，还是十分必要的。如因高度逼真而著名的波音公司民航驾驶员训练器，又如欧盟FP5下的项目“Life-cycle virtual reality ship system”（VRSHIP-ROPAX2000）等等。

但是，“数值水池”的数据利用功能仅限于和改进线型或改进水动力性能有关，不宜过度延伸、扩展，即限于数据库技术和数值自动优化技术。因为“数值水池”的根本功能是“虚拟测量”，其应特别强化的是数值计算能力。过度延伸、扩展，会使“数值水池”的概念发生异化，导致 “喧宾夺主”甚至“张冠李戴”。我们需要集中精力和目标，如前所述仅定量预报和全面预报，有待业内共同认真努力。

“数值水池”除了关注本身的构建，一般不关注如何推广应用。因为其与数值计算（特别是CFD技术）的推广应用是一回事。

对“概念”、“提法”等某些软课题进行研究是必要的，但应该适可而止，避免本末倒置。因为硬课题才是发展之本，且有些概念宜让下一代人去研究；有些“概念”可能是多余的，无需过多关注。正确的认识会促进技术的发展，而“概念”的模糊、混淆则导致多走弯路。

9 计算流程的固化（规程化）与误差不确定度评估

误差的不确定度分析方法可以分类为单网格方法和多网格方法［10］。

多网格方法一般指基于理查逊外插（RE）的方法，也包含仿照物理测量的不确定度分析方法［11］。这种方法采用较多套网格，反复进行多次计算，明显增加工作量，提高计算费用。这对工业应用来说，似乎不够实用，但在理论上，采用更多网格上的解，得到的不确定度值可能更可靠。如果我们把这种不确定度评估方法，与CFD计算实用化过程中试图固化计算流程（规程化）的想法结合起来，那么这种方法采用多套网格，就并不显得是缺点了。

比如，我们试图把对某一型船在一定Fn范围内静水阻力数值预报的整套计算流程固化下来，即把所有需设定的数值要素均确定下来，其中也包括所采用的网格。我们打算把它作为一种数值计算的推荐方案（规程），或将之设定为软件中整套的缺省值。那么针对这一推荐方案进行不确定度评估，在采用多套网格或是足够多的三网格组、四网格组求解之后，获得足够可信的不确定度评估结果。为了提高可信度，甚至可以尝试采用多种不确定度评估流程。尽管这样需花费相当的代价，但是为后续采用这一套推荐方案取得的计算结果事先提供了不确定度评估值，且具有足够的可信度。随着该推荐方案实际采用次数的上升，上述评估的费用也会被逐次摊薄。因此采用多网格提高可信度是值得的。

按此思路，我们应该还可以对同一问题的各个不同的推荐方案，在不确定度分析的基础上加以评估和筛选，由此实现不确定度分析对规程化的参与和两者的相互结合。也就是说，如果你对计算结果进行不确定度分析，并不只是为了发表一篇文章，或某一项特定的任务，而是试图固化出一套对某类常规计算任务准备予以推荐的规程，那么，多网格方法值得采用。

对近年来多种船型、数百个线型设计方案阻力伴流性能数值预报工作加以梳理，按数值计算的共性，确定应该分为几种类型；对各个类型分别编制、确定相应的计算流程。对这些流程进行不确定度分析评估后，若有必要还需作适当的改动调整，由此使流程成为可固化或推荐的程序，也即让不确定度分析介入流程制定和规程确定的过程中。不过，也可以对较有把握的，以及计算流程相对成熟的类型，先行实施这一过程，再逐步覆盖至常规船型或主流船型。同一类型，也可开发推荐几套程序，以满足不同的实际需求。

对桨敞水性能也可考虑开始进行上述工作。在适当的阶段，可针对自航性能进行类似的工作。

10 感 谢

本文的完成得益于与蔡跃进、王金宝、丁举同志的探讨，以及与于海、吴琼同志的心得交流，在此表示衷心感谢！

［1］蔡荣泉.关于船舶CFD的现状和一些认识［J］.船舶，2002（1）：29-37.

［2］蔡荣泉.船舶计算流体力学的发展与应用［J］.船舶，2002（4）：8-13.

［3］http：//ittc.sname.org/proceedings.htm［EB/OL］.

［4］http：//www.virtual-basin.org［EB/OL］.

［5］http：//cordis.europa.eu/data/PROJ_FP5/ACTIONeqDndSE SSIONeq112242005919ndDOCeq801ndTBLeqEN_PROJ.htm［EB/OL］.

［6］沈泓萃，赵峰.舰船综合航行性能虚拟试验环境（数值水池）顶层研究［J］.舰船科学技术，2007，29（2）：17-29.

［7］朱德祥，沈泓萃，洪方文等.船模数值水池框架及其研究基础. 水动力学研究与进展，A 辑［J］.2008，23（1）：24-32.

［8］沈泓萃.ITTC及船舶水动力学研究方向与重点分析［C］.2008年船舶水动力学学术会议，杭州，2008.11.

［9］李胜忠，李斌，赵峰，等.VIRTUE计划研究进展综述［J］.船舶力学，2009，13（4）：662-675.

［10］http：//www.grc.nasa.gov/www/wind/valid/validation.html［EB/OL］.

［11］沈泓萃、姚震球、吴宝山，等.船舶CFD模拟不确定度分析与评估新方法研究［J］. 船舶力学，2010，14（10）：1071-1083.