艦船水動(dòng)力虛擬試驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新研究

劉 卉

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

艦船水動(dòng)力虛擬試驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新研究

劉 卉

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

在分析了艦船水動(dòng)力設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力對(duì)虛擬試驗(yàn)的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，提出了“艦船水動(dòng)力設(shè)計(jì)評(píng)估與綜合優(yōu)化虛擬水池集成平臺(tái)”。本平臺(tái)以虛擬試驗(yàn)技術(shù)為核心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，綜合了物理試驗(yàn)技術(shù)能力與資源，并以數(shù)字化形式凝練起來(lái)，建成面向全行業(yè)、輻射其他裝備制造業(yè)的、集物理與虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)為一體的研究與應(yīng)用平臺(tái)，為艦船研究、設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變和創(chuàng)新提供強(qiáng)力支持，促進(jìn)我國(guó)由造船大國(guó)向造船強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)從行業(yè)層面推動(dòng)我國(guó)向創(chuàng)新型國(guó)家的轉(zhuǎn)變。

船型優(yōu)化;水動(dòng)力設(shè)計(jì);虛擬水池

1 概述

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)!

站在可持續(xù)發(fā)展和全球戰(zhàn)略的高度來(lái)審視新時(shí)期的海洋觀，在陸、海、空、天四大空間中，海洋是支撐世界經(jīng)濟(jì)全球化的主動(dòng)脈;海洋空間與資源不僅是當(dāng)今世界軍事經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域，更是將來(lái)人類(lèi)賴以生存、社會(huì)籍以發(fā)展、國(guó)家與民族持續(xù)安泰昌盛的資源寶庫(kù)和戰(zhàn)略基地。

控制海洋、開(kāi)發(fā)利用海洋空間與資源的前提與核心基礎(chǔ)是艦船(含海洋工程，下同)技術(shù)，而水動(dòng)力學(xué)是艦船(含海洋工程裝備，下同)總體技術(shù)的核心基礎(chǔ)，綜合水動(dòng)力設(shè)計(jì)、評(píng)估是艦船設(shè)計(jì)階段必不可少的重要組成部分。傳統(tǒng)的艦船性能設(shè)計(jì)評(píng)估模式是:根據(jù)母型船/裝備型線、模型試驗(yàn)資料，按照某種規(guī)則對(duì)型線加以修改得到目標(biāo)船型，然后進(jìn)行模型試驗(yàn)，并利用模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合水動(dòng)力性能評(píng)估。這種模式強(qiáng)烈地依賴于設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)資料，周期長(zhǎng)，不利于快速響應(yīng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics)的快速發(fā)展，以CFD為核心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托的虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)在船舶綜合水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)評(píng)估中發(fā)揮著日益重要的作用。周期相對(duì)較短，可高效能地響應(yīng)用戶設(shè)計(jì)要求。

而虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的融合，將會(huì)帶來(lái)船舶設(shè)計(jì)超越傳統(tǒng)的“革命”，促使工程設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式向知識(shí)化設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變(見(jiàn)圖1)，從而擺脫對(duì)母型、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)烈依賴，并能啟發(fā)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新思想。

目前，我國(guó)海洋裝備的發(fā)展急需先進(jìn)的研究手段和相應(yīng)的新技術(shù)儲(chǔ)備，而艦船綜合水動(dòng)力虛擬試驗(yàn)技術(shù)正是其核心的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，因此亟需大力發(fā)展。

圖1 艦船水動(dòng)力設(shè)計(jì)(優(yōu)化)模式的轉(zhuǎn)變Fig.1 Transform for design mode of ship hydrodynamics

2 虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的地位和作用

2.1 數(shù)值計(jì)算/CFD的地位

“今天，數(shù)值計(jì)算正在15年前未曾聽(tīng)說(shuō)的領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用?！薄猂.D.Richtmyer，1957。

時(shí)至50余年后的21世紀(jì)，Richtmyer這句話描述的情況仍在發(fā)生，并且在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)還會(huì)持續(xù)發(fā)生。目前，數(shù)值計(jì)算已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究以及各種工業(yè)、工程領(lǐng)域，并逐漸發(fā)展為與物理試驗(yàn)并駕齊驅(qū)的“虛擬試驗(yàn)”;同時(shí)，一些基于數(shù)值計(jì)算的新概念如“數(shù)字飛行”、“數(shù)字航行”等也開(kāi)始出現(xiàn)。

CFD是數(shù)值計(jì)算中的一個(gè)非常重要的分支。CFD是利用計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法對(duì)流體力學(xué)物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬與分析的一門(mén)學(xué)科，它綜合了計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、科學(xué)可視化等多種學(xué)科。在美國(guó)20世紀(jì)90年代的20項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，CFD技術(shù)被列為第8項(xiàng)，屬最優(yōu)先技術(shù)領(lǐng)域之一。目前，以CFD技術(shù)為核心的相關(guān)虛擬試驗(yàn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于多種學(xué)科研究與工業(yè)領(lǐng)域，包括航空航天、船舶與海洋工程、汽車(chē)、發(fā)電、化工生產(chǎn)、聚合物加工、石油勘探、醫(yī)學(xué)研究、氣象學(xué)以及天體物理學(xué)等。

2.2 虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)在國(guó)外科技與工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

作為當(dāng)今世界第一強(qiáng)國(guó)、同時(shí)也是創(chuàng)新能力最強(qiáng)的國(guó)家——美國(guó)，非常重視以計(jì)算科學(xué)/技術(shù)為核心的虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，將其定位為確保美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力的重要關(guān)鍵技術(shù)(Computational Science:Ensuring America's Competitiveness，Report to the President，by President's Information Technology Advicory Committee)。在其優(yōu)勢(shì)的工業(yè)領(lǐng)域中，虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)都發(fā)揮了重要作用。如在核工業(yè)領(lǐng)域，美國(guó)組織實(shí)施了ASC(Advanced Simulation and Computing)計(jì)劃，保證了在此領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

在美國(guó)的標(biāo)志性優(yōu)勢(shì)工業(yè)——航空航天領(lǐng)域，同樣極其重視虛擬試驗(yàn)技術(shù)。Lockheed Martin公司20多年前就開(kāi)始致力于虛擬試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用研究，以7個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的空氣動(dòng)力學(xué)CFD軟件為基礎(chǔ)，初步建立了“數(shù)值風(fēng)洞”。按傳統(tǒng)方法研發(fā)新一代戰(zhàn)機(jī)一般需要8～10年，而該公司依托虛擬試驗(yàn)等新的設(shè)計(jì)技術(shù)研制F117戰(zhàn)機(jī)只用了5年時(shí)間。在民用航空領(lǐng)域，20世紀(jì)80年代，波音公司研制波音767飛機(jī)時(shí)，需制造并進(jìn)行77個(gè)不同機(jī)翼的風(fēng)洞模型試驗(yàn);而在去年全球試飛成功的波音787，其全機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H僅為2個(gè)，這在以前是難以想象的，而虛擬試驗(yàn)技術(shù)使之變成了現(xiàn)實(shí)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今美國(guó)航空航天領(lǐng)域，虛擬試驗(yàn)約占飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)工作量的70%，而物理風(fēng)洞試驗(yàn)的工作量?jī)H占30%。

在軍用艦船/艇設(shè)計(jì)制造中，虛擬試驗(yàn)技術(shù)同樣得到足夠重視。20世紀(jì)90年代初，由美國(guó)防先進(jìn)研究規(guī)劃局(DARPA)和泰勒水池(DTRC)開(kāi)始實(shí)施“先進(jìn)潛艇技術(shù)計(jì)劃(ASTP)的水動(dòng)力學(xué)計(jì)劃”。ASTP的目標(biāo)是為開(kāi)發(fā)“海狼”級(jí)潛艇提供設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵技術(shù)(Crucial Technologies)，促進(jìn)未來(lái)潛艇設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的創(chuàng)新，發(fā)展革命性技術(shù)(Revolutionary Technologies)，引導(dǎo)創(chuàng)新概念的發(fā)展。其基本思路是建立計(jì)算技術(shù)體系，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的虛擬試驗(yàn)技術(shù)以驗(yàn)證計(jì)算技術(shù)。這些研究和技術(shù)成果，在美國(guó)“海狼”級(jí)潛艇和DDG1000隱身水面平臺(tái)的研制中都發(fā)揮了重要作用。

在歐盟，2004年，由德國(guó)漢堡水池(HSVA)牽頭、荷蘭水池(MARIN)、瑞典水池(SSPA)等國(guó)際著名水池聯(lián)合發(fā)起了虛擬試驗(yàn)水池VIRTUE(The Virtual Tank Utility in Europe)計(jì)劃，已于2005年1月1日正式開(kāi)始實(shí)施。該計(jì)劃在歐盟參與成員單位原有CFD工具的基礎(chǔ)上，依托計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，合作開(kāi)發(fā)1套可靠的船舶水動(dòng)力性能數(shù)值模擬技術(shù)，即虛擬水池技術(shù)。其目標(biāo)是，與歐盟早些時(shí)候?qū)嵤┑膶?shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)劃(2003～2005年)一起，極大地提高歐洲船舶制造和船舶設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，增強(qiáng)歐洲水動(dòng)力學(xué)服務(wù)供應(yīng)機(jī)構(gòu)的服務(wù)范圍和質(zhì)量以及其研發(fā)能力。

2.3 虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)船舶水動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)船舶水動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域也相當(dāng)重視虛擬試驗(yàn)技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)和水動(dòng)力性能評(píng)估中的應(yīng)用及其發(fā)展。在“七五”～“十一五”發(fā)展規(guī)劃的20余年里，追隨國(guó)際各階段的熱點(diǎn)課題并開(kāi)展相應(yīng)的工作，方法的應(yīng)用上基本保持了與國(guó)際水平同步的發(fā)展。

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司自20世紀(jì)90年代中期至今，在基于數(shù)字化/虛擬的思想下，主持開(kāi)發(fā)了SHIDS和SUBHIDS集成軟件系統(tǒng)。這2個(gè)集成虛擬系統(tǒng)是面向水面船舶和水下潛艇的，基于半經(jīng)驗(yàn)半理論分析公式和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)、評(píng)估與優(yōu)化集成系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)在船舶綜合航行性能的虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)方面的研究、應(yīng)用水平等總體上與國(guó)際先進(jìn)水平還有較大的差距，主要體現(xiàn)在長(zhǎng)效基礎(chǔ)性研究重視不夠，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的突破。虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)——高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)，雖然得到了長(zhǎng)足發(fā)展，已接近世界先進(jìn)水平，在應(yīng)用方面雖然基本保持了與國(guó)際水平同步的發(fā)展，但主要是針對(duì)商用軟件的二次開(kāi)發(fā)，在虛擬試驗(yàn)技術(shù)的核心關(guān)鍵——求解器和網(wǎng)格生成方面，自主開(kāi)發(fā)的軟件/代碼較少，且實(shí)用化、集成化程度不夠。這些，都極大地制約了虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展，難以支撐創(chuàng)新設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)水平的提高。

3 發(fā)展艦船水動(dòng)力虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的必要性

3.1 建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的需要

計(jì)算加速創(chuàng)新!這是國(guó)際科技工業(yè)界的共識(shí)。

當(dāng)今世界，綜合國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)千帆競(jìng)發(fā)，以創(chuàng)新為核心的發(fā)展主導(dǎo)權(quán)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。我國(guó)正處于由大國(guó)向強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期，必須建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)盡快走上創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、內(nèi)生增長(zhǎng)的軌道，才能贏得發(fā)展先機(jī)和主導(dǎo)權(quán)。科技創(chuàng)新在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起著不可替代的重要作用，培育新興產(chǎn)業(yè)、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展、提升人民生活品質(zhì)等都離不開(kāi)科技創(chuàng)新。因而國(guó)家科技發(fā)展規(guī)劃綱要中提出，到2020年我國(guó)要躋身創(chuàng)新型國(guó)家行列。以CFD技術(shù)為核心的艦船水動(dòng)力虛擬試驗(yàn)技術(shù)將會(huì)從船舶行業(yè)層面推動(dòng)我國(guó)向創(chuàng)新型國(guó)家的轉(zhuǎn)變。

3.2 提高船舶行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的需要

船舶制造業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是控制海洋、開(kāi)發(fā)利用海洋空間與資源的基礎(chǔ)保障，已被列入國(guó)家十大產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃。

目前，我國(guó)正處于由造船大國(guó)向造船強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段，同樣面臨著異常激烈的競(jìng)爭(zhēng)。在技術(shù)水平方面，與世界先進(jìn)國(guó)家水平的綜合差距在10年以上，而在勞動(dòng)力成本方面又高于一些發(fā)展中國(guó)家。因此，我國(guó)造船業(yè)要在“前有堵截、后有追兵”的危險(xiǎn)局面下“殺出重圍”，實(shí)現(xiàn)由造船大國(guó)向造船強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，必須大力提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。加快提升科技創(chuàng)新能力是提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要措施和基本保證，而建設(shè)以虛擬試驗(yàn)技術(shù)為核心、高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)為依托的虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，將推動(dòng)船舶性能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)革命性的跨越，為船舶研究、設(shè)計(jì)提供自主創(chuàng)新型的核心能力。

3.3 應(yīng)對(duì)氣候變化、節(jié)能減排的需求

人類(lèi)已進(jìn)入了新里程碑的發(fā)展階段，低碳經(jīng)濟(jì)成為第四次工業(yè)革命的標(biāo)桿。全球溫室氣體(CO2)的排放中，海上航運(yùn)的貢獻(xiàn)(不包括內(nèi)河)占3%，有毒氣體(NOx，SOx)的排放中則占30%以上，這些已經(jīng)納入國(guó)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(yùn)，但其平臺(tái)裝備也是石化能源消費(fèi)大戶，在這場(chǎng)低碳革命中成為改造革新的對(duì)象。

在MEPC第58次會(huì)議上，IMO制定和推出“能效設(shè)計(jì)指數(shù)”(即EEDI)作為新造船能效的衡量標(biāo)準(zhǔn)，并形成了“新造船EEDI計(jì)算方法臨時(shí)導(dǎo)則草案”。第59次會(huì)議對(duì)EEDI導(dǎo)則草案做了進(jìn)一步修訂，并以通函方式散發(fā)。EEDI導(dǎo)則旨在激勵(lì)船東及船舶設(shè)計(jì)者通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和使用節(jié)能技術(shù)使得新造船在設(shè)計(jì)和建造時(shí)，就盡可能達(dá)到較高的能效標(biāo)準(zhǔn)。

而我國(guó)船舶行業(yè)高技術(shù)、高附加值船舶的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)能力不足，船體優(yōu)化設(shè)計(jì)缺乏核心技術(shù)，船用節(jié)能技術(shù)的研究應(yīng)用基礎(chǔ)薄弱。一旦能效設(shè)計(jì)公式強(qiáng)制性實(shí)施，將構(gòu)成行業(yè)的技術(shù)高門(mén)檻，威脅發(fā)展中國(guó)家造船業(yè)的發(fā)展，暴露出我國(guó)船舶工業(yè)的致命缺陷，影響市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。而虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，可望在上述方面發(fā)揮重要的作用。

因此，發(fā)展以虛擬試驗(yàn)技術(shù)為核心、高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)為依托的虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，不僅是增強(qiáng)我國(guó)船舶行業(yè)創(chuàng)新能力、提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、適應(yīng)國(guó)際新標(biāo)準(zhǔn)的迫切需求，同時(shí)也是從行業(yè)層面推動(dòng)我國(guó)向創(chuàng)新型國(guó)家轉(zhuǎn)變的需求。

4 艦船水動(dòng)力設(shè)計(jì)評(píng)估與綜合優(yōu)化虛擬水池集成平臺(tái)

4.1 目標(biāo)圖像

艦船水動(dòng)力設(shè)計(jì)評(píng)估與綜合優(yōu)化虛擬水池集成平臺(tái)的目標(biāo)圖像為:依托已有的模型試驗(yàn)研究基地和扎實(shí)的技術(shù)積累，發(fā)展虛擬試驗(yàn)技術(shù)體系，集成于數(shù)值水池平臺(tái)，建成引領(lǐng)國(guó)際船舶水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)和船型創(chuàng)新技術(shù)能力建設(shè)發(fā)展方向的、世界領(lǐng)先水平的重大科技工程基礎(chǔ)設(shè)施。具體而言就是，把以中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司為代表的科研機(jī)構(gòu)所具備的達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的船舶綜合航行性能研究、評(píng)估、設(shè)計(jì)能力與資源(包括物理試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)2方面)，以數(shù)字化的形式凝練起來(lái)，建成集物理試驗(yàn)系統(tǒng)與虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)為一體的科學(xué)研究與工程應(yīng)用創(chuàng)新平臺(tái)(如圖2)，面向船舶行業(yè)、輻射其他裝備制造業(yè)。本設(shè)施在國(guó)際上屬概念獨(dú)創(chuàng)，建成后綜合實(shí)力將達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，可大大增強(qiáng)我國(guó)船舶行業(yè)的創(chuàng)新能力，提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，有力推動(dòng)由造船大國(guó)向造船強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。

圖2 虛擬水池集成平臺(tái)目標(biāo)框圖Fig.2 Target figure for integrated numerical tank platform

4.2 總體技術(shù)方案

船舶綜合航行性能虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)是以虛擬試驗(yàn)技術(shù)為核心、高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)為依托的船舶創(chuàng)新研究、設(shè)計(jì)平臺(tái)，其總體技術(shù)方案如圖3所示(虛線框內(nèi)部分)。

可以看出，集成平臺(tái)發(fā)展規(guī)劃成3大部分:第1部分為虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展;第2部分為物理試驗(yàn)技術(shù)能力與資源的數(shù)字化;第3部分為聯(lián)接虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)與物理試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)、設(shè)施與船舶研究設(shè)計(jì)人員的橋梁——標(biāo)模試驗(yàn)驗(yàn)證和試驗(yàn)數(shù)據(jù)(包括物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù))管理系統(tǒng)(Test Data Management，TDM)。該平臺(tái)綜合凝練了虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)及物理試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的能力與資源，促進(jìn)船舶設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的創(chuàng)新，支持先進(jìn)概念原型的實(shí)現(xiàn)。

圖3 總體技術(shù)方案框圖Fig.3 Integrated technical precept

第1部分是集成平臺(tái)的主要部分。首先進(jìn)行硬件建設(shè)(包括廠房及附屬設(shè)施、超級(jí)計(jì)算機(jī)和高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)，通過(guò)與配套軟件的有機(jī)結(jié)合(包括系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件的購(gòu)置、開(kāi)發(fā)、調(diào)試和測(cè)試等)，形成虛擬/模擬的平臺(tái);虛擬平臺(tái)與經(jīng)過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)證的虛擬試驗(yàn)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，形成虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng);系統(tǒng)的功能和性能可以不斷擴(kuò)展、完善和升級(jí)。

第2部分是將物理試驗(yàn)技術(shù)能力與資源的數(shù)字化。已有的優(yōu)秀物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)(包括模型與實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù))，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建設(shè)成船舶綜合航行性能數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)能不斷擴(kuò)充、完善和升級(jí)，甚至將來(lái)虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以納入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

第3部分是聯(lián)接設(shè)施各部分以及設(shè)施與研究應(yīng)用者的橋梁。使用物理試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，開(kāi)展系列標(biāo)?；鶞?zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)，對(duì)虛擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證;虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)、物理試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，都將通過(guò)TMD系統(tǒng)處理后提供給研究應(yīng)用人員使用。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)

本集成平臺(tái)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)較多，歸納起來(lái)主要包括以下幾個(gè)方面:

1)虛擬試驗(yàn)技術(shù)。虛擬試驗(yàn)技術(shù)是本集成平臺(tái)的核心關(guān)鍵，它涉及到虛擬試驗(yàn)數(shù)學(xué)建模、高效高質(zhì)量網(wǎng)格生成、虛擬試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型求解以及虛擬試驗(yàn)與結(jié)果海量數(shù)據(jù)的情景化展示等多方面的技術(shù)。

2)標(biāo)?；鶞?zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)及其不確定度分析。標(biāo)?；鶞?zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是校驗(yàn)虛擬試驗(yàn)技術(shù)及虛擬試驗(yàn)結(jié)果的最重要的“標(biāo)尺”，這一“標(biāo)尺”準(zhǔn)確與否、是否可靠，將直接影響到虛擬試驗(yàn)技術(shù)是否適用。因而，高質(zhì)量的物理模型基準(zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)是本設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3)大規(guī)模計(jì)算機(jī)集群高效并行技術(shù)。隨著虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)研究和解決科學(xué)與工程問(wèn)題的不斷深入和復(fù)雜程度的提高，對(duì)虛擬試驗(yàn)的計(jì)算量、魯棒性等方面都提出了越來(lái)越高的要求，需要大力發(fā)展大規(guī)模高效并行計(jì)算技術(shù)。

4)船舶綜合航行性能數(shù)據(jù)庫(kù)。船舶綜合航行性能數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，是所有船型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的集散地，其中包含并不斷吸收各種優(yōu)秀的物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可納入有效和優(yōu)秀的虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是高效、高質(zhì)量地開(kāi)展船舶設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造及理論科研的強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，能大大提高設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)速度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合我國(guó)船舶行業(yè)的急迫需求，提出了以虛擬試驗(yàn)技術(shù)為核心、計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，并綜合了物理試驗(yàn)技術(shù)能力與資源的“艦船水動(dòng)力設(shè)計(jì)評(píng)估與綜合優(yōu)化虛擬水池集成平臺(tái)”。本集成平臺(tái)在國(guó)際上屬概念獨(dú)創(chuàng)，將以中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司為代表的研究機(jī)構(gòu)所具備的國(guó)際先進(jìn)水平的船舶綜合航行性能研究、設(shè)計(jì)等能力與資源以數(shù)字化形式凝練起來(lái)，建成面向全行業(yè)、輻射其他裝備制造業(yè)的、集物理與虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)為一體的研究與應(yīng)用平臺(tái);為船舶研究、設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變和創(chuàng)新提供強(qiáng)力支持，大大縮短船舶設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本、促進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、提高整體設(shè)計(jì)水平，有力促進(jìn)我國(guó)由造船大國(guó)向造船強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，同時(shí)從行業(yè)層面推動(dòng)我國(guó)向創(chuàng)新型國(guó)家的轉(zhuǎn)變。

致謝:本文的工作得到了中國(guó)船舶科學(xué)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(jí)工程師，從事水動(dòng)力學(xué)技術(shù)研究。