艦船水動力虛擬試驗技術創新研究

劉 卉

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦船水動力虛擬試驗技術創新研究

劉 卉

(中國艦船研究院，北京 100192)

在分析了艦船水動力設計創新能力對虛擬試驗的技術需求和挑戰的基礎上，提出了“艦船水動力設計評估與綜合優化虛擬水池集成平臺”。本平臺以虛擬試驗技術為核心，以計算機技術為依托，綜合了物理試驗技術能力與資源，并以數字化形式凝練起來，建成面向全行業、輻射其他裝備制造業的、集物理與虛擬試驗系統為一體的研究與應用平臺，為艦船研究、設計模式的轉變和創新提供強力支持，促進我國由造船大國向造船強國的轉變，同時從行業層面推動我國向創新型國家的轉變。

船型優化;水動力設計;虛擬水池

1 概述

21世紀是海洋的世紀!

站在可持續發展和全球戰略的高度來審視新時期的海洋觀，在陸、海、空、天四大空間中，海洋是支撐世界經濟全球化的主動脈;海洋空間與資源不僅是當今世界軍事經濟競爭的重要領域，更是將來人類賴以生存、社會籍以發展、國家與民族持續安泰昌盛的資源寶庫和戰略基地。

控制海洋、開發利用海洋空間與資源的前提與核心基礎是艦船(含海洋工程，下同)技術，而水動力學是艦船(含海洋工程裝備，下同)總體技術的核心基礎，綜合水動力設計、評估是艦船設計階段必不可少的重要組成部分。傳統的艦船性能設計評估模式是:根據母型船/裝備型線、模型試驗資料，按照某種規則對型線加以修改得到目標船型，然后進行模型試驗，并利用模型試驗結果進行綜合水動力性能評估。這種模式強烈地依賴于設計師的設計經驗和數據庫資料，周期長，不利于快速響應。

隨著計算機技術和計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)的快速發展，以CFD為核心、以計算機技術為依托的虛擬試驗技術系統在船舶綜合水動力性能設計評估中發揮著日益重要的作用。周期相對較短，可高效能地響應用戶設計要求。

而虛擬試驗技術系統與優化設計的融合，將會帶來船舶設計超越傳統的“革命”，促使工程設計從傳統經驗設計模式向知識化設計模式的轉變(見圖1)，從而擺脫對母型、設計經驗和數據庫的強烈依賴，并能啟發設計師的創新思想。

目前，我國海洋裝備的發展急需先進的研究手段和相應的新技術儲備，而艦船綜合水動力虛擬試驗技術正是其核心的基礎支撐技術，因此亟需大力發展。

圖1 艦船水動力設計(優化)模式的轉變Fig.1 Transform for design mode of ship hydrodynamics

2 虛擬試驗技術系統的地位和作用

2.1 數值計算/CFD的地位

“今天，數值計算正在15年前未曾聽說的領域中廣泛應用。”——R.D.Richtmyer，1957。

時至50余年后的21世紀，Richtmyer這句話描述的情況仍在發生，并且在可預見的將來還會持續發生。目前，數值計算已廣泛應用于科學研究以及各種工業、工程領域，并逐漸發展為與物理試驗并駕齊驅的“虛擬試驗”;同時，一些基于數值計算的新概念如“數字飛行”、“數字航行”等也開始出現。

CFD是數值計算中的一個非常重要的分支。CFD是利用計算機和數值方法對流體力學物理現象進行數值模擬與分析的一門學科，它綜合了計算數學、計算機科學、流體力學、科學可視化等多種學科。在美國20世紀90年代的20項關鍵技術中，CFD技術被列為第8項，屬最優先技術領域之一。目前，以CFD技術為核心的相關虛擬試驗技術廣泛應用于多種學科研究與工業領域，包括航空航天、船舶與海洋工程、汽車、發電、化工生產、聚合物加工、石油勘探、醫學研究、氣象學以及天體物理學等。

2.2 虛擬試驗技術系統在國外科技與工業領域的應用

作為當今世界第一強國、同時也是創新能力最強的國家——美國，非常重視以計算科學/技術為核心的虛擬試驗技術系統，將其定位為確保美國競爭力的重要關鍵技術(Computational Science:Ensuring America's Competitiveness，Report to the President，by President's Information Technology Advicory Committee)。在其優勢的工業領域中，虛擬試驗技術系統都發揮了重要作用。如在核工業領域，美國組織實施了ASC(Advanced Simulation and Computing)計劃，保證了在此領域的世界領先地位。

在美國的標志性優勢工業——航空航天領域，同樣極其重視虛擬試驗技術。Lockheed Martin公司20多年前就開始致力于虛擬試驗技術的應用研究，以7個經過驗證的空氣動力學CFD軟件為基礎，初步建立了“數值風洞”。按傳統方法研發新一代戰機一般需要8～10年，而該公司依托虛擬試驗等新的設計技術研制F117戰機只用了5年時間。在民用航空領域，20世紀80年代，波音公司研制波音767飛機時，需制造并進行77個不同機翼的風洞模型試驗;而在去年全球試飛成功的波音787，其全機風洞試驗模型僅僅為2個，這在以前是難以想象的，而虛擬試驗技術使之變成了現實。據統計，當今美國航空航天領域，虛擬試驗約占飛行器氣動設計工作量的70%，而物理風洞試驗的工作量僅占30%。

在軍用艦船/艇設計制造中，虛擬試驗技術同樣得到足夠重視。20世紀90年代初，由美國防先進研究規劃局(DARPA)和泰勒水池(DTRC)開始實施“先進潛艇技術計劃(ASTP)的水動力學計劃”。ASTP的目標是為開發“海狼”級潛艇提供設計所需的關鍵技術(Crucial Technologies)，促進未來潛艇設計觀點的創新，發展革命性技術(Revolutionary Technologies)，引導創新概念的發展。其基本思路是建立計算技術體系，開發先進的虛擬試驗技術以驗證計算技術。這些研究和技術成果，在美國“海狼”級潛艇和DDG1000隱身水面平臺的研制中都發揮了重要作用。

在歐盟，2004年，由德國漢堡水池(HSVA)牽頭、荷蘭水池(MARIN)、瑞典水池(SSPA)等國際著名水池聯合發起了虛擬試驗水池VIRTUE(The Virtual Tank Utility in Europe)計劃，已于2005年1月1日正式開始實施。該計劃在歐盟參與成員單位原有CFD工具的基礎上，依托計算機和網絡通訊技術，合作開發1套可靠的船舶水動力性能數值模擬技術，即虛擬水池技術。其目標是，與歐盟早些時候實施的實船試驗驗證計劃(2003～2005年)一起，極大地提高歐洲船舶制造和船舶設計競爭力，增強歐洲水動力學服務供應機構的服務范圍和質量以及其研發能力。

2.3 虛擬試驗技術系統在國內船舶水動力領域的應用

國內船舶水動力學研究領域也相當重視虛擬試驗技術在船舶設計和水動力性能評估中的應用及其發展。在“七五”～“十一五”發展規劃的20余年里，追隨國際各階段的熱點課題并開展相應的工作，方法的應用上基本保持了與國際水平同步的發展。

中國船舶重工集團公司自20世紀90年代中期至今，在基于數字化/虛擬的思想下，主持開發了SHIDS和SUBHIDS集成軟件系統。這2個集成虛擬系統是面向水面船舶和水下潛艇的，基于半經驗半理論分析公式和模型試驗數據庫的水動力性能預報、評估與優化集成系統。

國內在船舶綜合航行性能的虛擬試驗技術系統方面的研究、應用水平等總體上與國際先進水平還有較大的差距，主要體現在長效基礎性研究重視不夠，難以實現系統性的突破。虛擬試驗技術系統的基礎——高性能超級計算機，雖然得到了長足發展，已接近世界先進水平，在應用方面雖然基本保持了與國際水平同步的發展，但主要是針對商用軟件的二次開發，在虛擬試驗技術的核心關鍵——求解器和網格生成方面，自主開發的軟件/代碼較少，且實用化、集成化程度不夠。這些，都極大地制約了虛擬試驗技術系統的應用和進一步發展，難以支撐創新設計和設計水平的提高。

3 發展艦船水動力虛擬試驗技術系統的必要性

3.1 建設創新型國家的需要

計算加速創新!這是國際科技工業界的共識。

當今世界，綜合國力的競爭千帆競發，以創新為核心的發展主導權競爭愈演愈烈。我國正處于由大國向強國邁進的關鍵時期，必須建設創新型國家，加快轉變經濟發展方式，推動我國經濟盡快走上創新驅動、內生增長的軌道，才能贏得發展先機和主導權。科技創新在我國經濟社會發展中起著不可替代的重要作用，培育新興產業、改造傳統產業、推動可持續發展、提升人民生活品質等都離不開科技創新。因而國家科技發展規劃綱要中提出，到2020年我國要躋身創新型國家行列。以CFD技術為核心的艦船水動力虛擬試驗技術將會從船舶行業層面推動我國向創新型國家的轉變。

3.2 提高船舶行業競爭力的需要

船舶制造業是我國的支柱產業之一，也是控制海洋、開發利用海洋空間與資源的基礎保障，已被列入國家十大產業調整和振興規劃。

目前，我國正處于由造船大國向造船強國轉變的關鍵階段，同樣面臨著異常激烈的競爭。在技術水平方面，與世界先進國家水平的綜合差距在10年以上，而在勞動力成本方面又高于一些發展中國家。因此，我國造船業要在“前有堵截、后有追兵”的危險局面下“殺出重圍”，實現由造船大國向造船強國的轉變，必須大力提高國際競爭力。加快提升科技創新能力是提高國際競爭力的重要措施和基本保證，而建設以虛擬試驗技術為核心、高性能超級計算機為依托的虛擬試驗技術系統，將推動船舶性能設計實現革命性的跨越，為船舶研究、設計提供自主創新型的核心能力。

3.3 應對氣候變化、節能減排的需求

人類已進入了新里程碑的發展階段，低碳經濟成為第四次工業革命的標桿。全球溫室氣體(CO2)的排放中，海上航運的貢獻(不包括內河)占3%，有毒氣體(NOx，SOx)的排放中則占30%以上，這些已經納入國際共管的范疇。與船舶相同，海洋工程裝備盡管其排放總量少于航運，但其平臺裝備也是石化能源消費大戶，在這場低碳革命中成為改造革新的對象。

在MEPC第58次會議上，IMO制定和推出“能效設計指數”(即EEDI)作為新造船能效的衡量標準，并形成了“新造船EEDI計算方法臨時導則草案”。第59次會議對EEDI導則草案做了進一步修訂，并以通函方式散發。EEDI導則旨在激勵船東及船舶設計者通過技術改進和使用節能技術使得新造船在設計和建造時，就盡可能達到較高的能效標準。

而我國船舶行業高技術、高附加值船舶的設計水平和生產能力不足，船體優化設計缺乏核心技術，船用節能技術的研究應用基礎薄弱。一旦能效設計公式強制性實施，將構成行業的技術高門檻，威脅發展中國家造船業的發展，暴露出我國船舶工業的致命缺陷，影響市場競爭力。而虛擬試驗技術系統，可望在上述方面發揮重要的作用。

因此，發展以虛擬試驗技術為核心、高性能超級計算機為依托的虛擬試驗技術系統，不僅是增強我國船舶行業創新能力、提升國際競爭力、適應國際新標準的迫切需求，同時也是從行業層面推動我國向創新型國家轉變的需求。

4 艦船水動力設計評估與綜合優化虛擬水池集成平臺

4.1 目標圖像

艦船水動力設計評估與綜合優化虛擬水池集成平臺的目標圖像為:依托已有的模型試驗研究基地和扎實的技術積累，發展虛擬試驗技術體系，集成于數值水池平臺，建成引領國際船舶水動力性能設計和船型創新技術能力建設發展方向的、世界領先水平的重大科技工程基礎設施。具體而言就是，把以中國船舶重工集團公司為代表的科研機構所具備的達到國際先進水平的船舶綜合航行性能研究、評估、設計能力與資源(包括物理試驗和虛擬試驗2方面)，以數字化的形式凝練起來，建成集物理試驗系統與虛擬試驗技術系統為一體的科學研究與工程應用創新平臺(如圖2)，面向船舶行業、輻射其他裝備制造業。本設施在國際上屬概念獨創，建成后綜合實力將達到國際領先水平，可大大增強我國船舶行業的創新能力，提升國際競爭力，有力推動由造船大國向造船強國的轉變。

圖2 虛擬水池集成平臺目標框圖Fig.2 Target figure for integrated numerical tank platform

4.2 總體技術方案

船舶綜合航行性能虛擬試驗技術系統是以虛擬試驗技術為核心、高性能超級計算機為依托的船舶創新研究、設計平臺，其總體技術方案如圖3所示(虛線框內部分)。

可以看出，集成平臺發展規劃成3大部分:第1部分為虛擬試驗技術系統的發展;第2部分為物理試驗技術能力與資源的數字化;第3部分為聯接虛擬試驗技術系統與物理試驗技術系統、設施與船舶研究設計人員的橋梁——標模試驗驗證和試驗數據(包括物理試驗數據和虛擬試驗數據)管理系統(Test Data Management，TDM)。該平臺綜合凝練了虛擬試驗技術系統及物理試驗技術系統的能力與資源，促進船舶設計觀點的創新，支持先進概念原型的實現。

圖3 總體技術方案框圖Fig.3 Integrated technical precept

第1部分是集成平臺的主要部分。首先進行硬件建設(包括廠房及附屬設施、超級計算機和高速網絡設備等)，通過與配套軟件的有機結合(包括系統軟件、應用軟件的購置、開發、調試和測試等)，形成虛擬/模擬的平臺;虛擬平臺與經過系統驗證的虛擬試驗技術的有機結合，形成虛擬試驗技術系統;系統的功能和性能可以不斷擴展、完善和升級。

第2部分是將物理試驗技術能力與資源的數字化。已有的優秀物理試驗數據(包括模型與實船試驗數據)，運用數據庫技術，建設成船舶綜合航行性能數據庫系統;數據庫系統能不斷擴充、完善和升級，甚至將來虛擬試驗技術系統的虛擬試驗數據也可以納入數據庫系統。

第3部分是聯接設施各部分以及設施與研究應用者的橋梁。使用物理試驗技術系統，開展系列標模基準檢驗試驗，對虛擬試驗技術進行系統的驗證;虛擬試驗技術系統的虛擬試驗數據、物理試驗技術系統的物理試驗數據以及數據庫系統中的試驗數據，都將通過TMD系統處理后提供給研究應用人員使用。

4.3 關鍵技術

本集成平臺所涉及到的關鍵技術較多，歸納起來主要包括以下幾個方面:

1)虛擬試驗技術。虛擬試驗技術是本集成平臺的核心關鍵，它涉及到虛擬試驗數學建模、高效高質量網格生成、虛擬試驗數學模型求解以及虛擬試驗與結果海量數據的情景化展示等多方面的技術。

2)標模基準檢驗試驗及其不確定度分析。標模基準檢驗試驗數據是校驗虛擬試驗技術及虛擬試驗結果的最重要的“標尺”，這一“標尺”準確與否、是否可靠，將直接影響到虛擬試驗技術是否適用。因而，高質量的物理模型基準檢驗試驗是本設施建設的關鍵技術之一。

3)大規模計算機集群高效并行技術。隨著虛擬試驗系統研究和解決科學與工程問題的不斷深入和復雜程度的提高，對虛擬試驗的計算量、魯棒性等方面都提出了越來越高的要求，需要大力發展大規模高效并行計算技術。

4)船舶綜合航行性能數據庫。船舶綜合航行性能數據庫系統，是所有船型和試驗數據的集散地，其中包含并不斷吸收各種優秀的物理試驗數據，同時也可納入有效和優秀的虛擬試驗數據。優秀的數據庫系統是高效、高質量地開展船舶設計、試驗、制造及理論科研的強有力的數據支撐，能大大提高設計水平和設計速度。

5 結語

本文結合我國船舶行業的急迫需求，提出了以虛擬試驗技術為核心、計算機技術為依托，并綜合了物理試驗技術能力與資源的“艦船水動力設計評估與綜合優化虛擬水池集成平臺”。本集成平臺在國際上屬概念獨創，將以中國船舶重工集團公司為代表的研究機構所具備的國際先進水平的船舶綜合航行性能研究、設計等能力與資源以數字化形式凝練起來，建成面向全行業、輻射其他裝備制造業的、集物理與虛擬試驗系統為一體的研究與應用平臺;為船舶研究、設計模式的轉變和創新提供強力支持，大大縮短船舶設計周期、降低設計成本、促進創新設計、提高整體設計水平，有力促進我國由造船大國向造船強國的轉變，同時從行業層面推動我國向創新型國家的轉變。

致謝:本文的工作得到了中國船舶科學研究中心沈泓萃研究員和趙峰研究員的大力支持和幫助，作者在此表示衷心感謝!

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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

劉卉(1969－)，女，高級工程師，從事水動力學技術研究。