基于船舶快速性計算策略的計算平臺開發(fā)

張青山， 任?？?， 陳昆鵬， 杜云龍

(上海船舶運輸科學(xué)研究所有限公司 a.航運技術(shù)與安全國家重點實驗室；b.航運技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室, 上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著計算機性能的不斷提升和數(shù)值算法的快速發(fā)展，計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法在船舶領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,已實現(xiàn)對各種復(fù)雜流場的模擬，計算用時大幅縮短。同時，國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference，ITTC)針對CFD方法的不確定度分析方法的規(guī)程給出了數(shù)值計算方面的合理有效建議。目前，CFD方法已在船舶快速性評估中得到廣泛應(yīng)用,特別是在船型優(yōu)化方面，CFD方法能快速、準(zhǔn)確地評估船舶的性能，有效克服傳統(tǒng)水池試驗周期長、成本高的缺點。

對于船舶快速性評估而言，由于不同的研究人員對流動現(xiàn)象的理解不同，使得模擬結(jié)果存在差異。為獲取相對準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果，研究人員需深刻認(rèn)識流動現(xiàn)象，同時能結(jié)合控制方程和相關(guān)算法對CFD數(shù)值模擬進(jìn)行有效設(shè)定，這對于船舶設(shè)計人員來說需耗費大量的時間和精力。另外，數(shù)值計算需消耗大量計算資源，同時會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這會引發(fā)集群管理和數(shù)據(jù)存儲等問題。如何使船舶設(shè)計人員將更多精力投入到船舶優(yōu)化中，而不必過多地考慮CFD數(shù)值模擬涉及的算法和參數(shù)設(shè)置，是提升船舶優(yōu)化效率需解決的關(guān)鍵問題。

本文基于B/S(Browser/Server)架構(gòu)設(shè)計船舶快速性計算平臺，貼合船舶設(shè)計人員的應(yīng)用場景，盡量減少設(shè)計人員的輸入量，簡化操作流程。設(shè)計10個功能模塊，以滿足船舶設(shè)計人員的應(yīng)用場景需求；設(shè)置外部接口調(diào)用外部應(yīng)用程序，實現(xiàn)自動進(jìn)行數(shù)值評估的過程。為保證船舶快速性計算的精度，開展船舶快速性計算策略研究，并利用數(shù)值水池大子樣數(shù)據(jù)庫中的試驗數(shù)據(jù)對該策略的有效性進(jìn)行驗證，最終通過國際標(biāo)模KCS船展示船舶快速性計算平臺的特點。

1 計算平臺設(shè)計

為提升船舶優(yōu)化效率，需設(shè)計船舶快速性計算平臺：首先，對計算平臺的使用需求進(jìn)行調(diào)研和分析，充分了解船舶設(shè)計人員的業(yè)務(wù)需求；然后，設(shè)計能滿足多任務(wù)、多用戶、高效計算需求的計算平臺架構(gòu)和相應(yīng)的功能模塊,滿足數(shù)值計算的工況需求。

1.1 需求分析

在設(shè)計計算平臺時，需綜合考慮船舶工程的應(yīng)用場景和船舶設(shè)計人員的工作流程，保證不同用戶之間計算任務(wù)的獨立性，從而滿足不同客戶的船型保密性要求。同時，需考慮簡化用戶的操作，只需提供船型基本參數(shù)、船舶幾何文件和計算工況即可進(jìn)行計算。為滿足上述需求，需為計算平臺設(shè)計相應(yīng)的功能模塊并制定相應(yīng)的規(guī)則，以保證自動運行計算任務(wù)，自動存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行數(shù)值評估，最終給出計算結(jié)果。另外，為保證數(shù)值評估的精度，需封裝船舶快速性計算策略。

1.2 架構(gòu)設(shè)計

船舶快速性計算平臺是用于對船舶快速性數(shù)值計算任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理的平臺。此類數(shù)值計算需消耗大量的計算資源，通常在集群或超算中心執(zhí)行。考慮到使用的便捷性，基于B/S架構(gòu)設(shè)計計算平臺(見圖1)，最終部署在集群中。將計算平臺設(shè)置為3層,其中：第一層為交互層，主要為瀏覽器展示的頁面，為用戶提供交互和查詢等操作；第二層為功能層，主要是針對用戶應(yīng)用場景設(shè)計的相關(guān)功能，共10個功能模塊；第三層為數(shù)據(jù)層，整個平臺運行時所需數(shù)據(jù)和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的增、刪、改、查等操作都在該層進(jìn)行，為平臺的運行提供數(shù)據(jù)支撐。同時，設(shè)置針對外部程序的結(jié)構(gòu)，可將平臺上計算任務(wù)所需數(shù)據(jù)傳遞到調(diào)用引擎中，從而調(diào)用外部應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)值計算。

圖1 船舶快速性計算平臺架構(gòu)

1.3 功能設(shè)計

為保證計算平臺能供用戶便捷地使用，滿足用戶的交互需求，為計算平臺設(shè)計10個功能模塊，可分為平臺管理和平臺界面設(shè)計2類。

1.3.1 平臺管理類功能模塊

平臺管理類功能模塊是對平臺上的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的功能模塊，便于管理員對平臺上的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

1) 日志管理。該功能模塊用于記錄自啟動平臺以來平臺上的所有操作，包括用戶操作日志和節(jié)點狀態(tài)日志，保證平臺調(diào)用的所有操作都能溯源。另外，日志信息只支持查詢操作，禁止包括管理員在內(nèi)的所有用戶進(jìn)行修改和刪除操作。

2) 用戶管理。該功能模塊主要實現(xiàn)對平臺用戶的管理，管理員可對用戶進(jìn)行增、刪、改、查等操作，并為其設(shè)置賬號、密碼等信息。另外，管理員可對用戶進(jìn)行角色和部門分配，同時為其設(shè)定相應(yīng)的權(quán)限，以便同一工程用戶能查詢該工程的進(jìn)展情況。

3) 工程管理。對于單一船舶改型優(yōu)化項目而言，該功能模塊主要用于管理所有工程。項目負(fù)責(zé)人對擁有權(quán)限的工程進(jìn)行增、刪、改、查等操作。此外,該功能模塊設(shè)有工程審核功能，部門領(lǐng)導(dǎo)有權(quán)對其進(jìn)行審核并準(zhǔn)予通過。需注意的是，不同工程之間是相互獨立的，每個工程對應(yīng)的阻力、螺旋槳敞水和自航計算任務(wù)都應(yīng)隸屬于該工程，包括該改型后的相關(guān)計算任務(wù)。

4) 任務(wù)管理。該模塊用于管理平臺中的所有計算任務(wù)，包括排隊中、運行中和已完成的計算任務(wù)。對于排隊中的計算任務(wù)，管理員可對其進(jìn)行排序、移除、暫停提交、放行和列表導(dǎo)出等操作;對于運行中的計算任務(wù)，管理員可將其終止;對于已完成的計算任務(wù)，管理員可查看其列表和詳情。

5) 硬件資源管理。該功能模塊用于調(diào)度集群中的計算資源，以滿足計算任務(wù)的需求。當(dāng)計算任務(wù)爆發(fā)時，管理員可增加計算節(jié)點投入；當(dāng)計算任務(wù)減少時，管理員可適當(dāng)減少計算節(jié)點投入，從而將更多的計算資源投入到研發(fā)任務(wù)中。另外，管理員可配置每項計算任務(wù)占用的計算節(jié)點數(shù)，計算平臺在自動調(diào)度計算任務(wù)時，可根據(jù)該設(shè)定自動分配集群中的計算節(jié)點。

1.3.2 平臺界面設(shè)計類功能模塊

平臺界面設(shè)計類功能模塊主要用于輔助完成網(wǎng)頁界面設(shè)計，方便管理員貼合船舶設(shè)計人員的計算需求設(shè)計網(wǎng)頁界面，方便進(jìn)一步擴展計算平臺的功能，如耐波性和操縱性計算等。

1) 變量管理。該功能模塊主要針對數(shù)值評估所需變量，主要分為輸入變量和輸出變量2類。對于輸入變量，管理員需指定其名稱、類型、單位、錄入形式、是否必填、隸屬參數(shù)模塊、范圍和符號表示等關(guān)鍵字段，以便該變量能被準(zhǔn)確調(diào)用;對于輸出變量，管理員需指定其名稱、精度、單位、變量符號表示和計算表達(dá)式等關(guān)鍵字段。

2) 規(guī)則管理。該功能模塊主要針對平臺中的3類規(guī)則進(jìn)行設(shè)定和管理。

(1) 計費規(guī)則，用于設(shè)定每項計算任務(wù)的計費規(guī)則；

(2) 文件下載規(guī)則，用于設(shè)定允許用戶下載的文件類型，如以png、sce等為后綴的文件，方便用戶將其下載到本地計算機中；

(3) 幾何模型接受規(guī)則，用于限定每項計算任務(wù)所需幾何模型的格式，保證平臺內(nèi)部幾何文件的數(shù)據(jù)格式的一致性。

3) 模板管理。該功能模塊主要用于集成船舶快速性計算策略，保證平臺在阻力、敞水和自航計算方面的精度滿足要求。每種計算類型(阻力、敞水、自航)對應(yīng)普通計算模板、續(xù)算模板和后處理模板等3類模板。不同模板所需變量不盡相同，需更新迭代模板中的變量和宏文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。隨著船舶快速性計算策略的更新迭代，管理員可對現(xiàn)有模板進(jìn)行升級，進(jìn)一步提高計算精度。另外，在船舶改型優(yōu)化過程中，通常需對大量改型船舶的阻力進(jìn)行評估，需耗費較多的時間。為此，單獨開發(fā)改型計算模板，對于船舶改型幅度不大的評估計算，采用改型計算模板可降低60%的時間成本。

4) 參數(shù)模塊管理。該功能模塊用于設(shè)計不同計算任務(wù)的網(wǎng)頁界面內(nèi)容，管理員可根據(jù)計算類型設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)模塊，并將同類變量歸并到1個參數(shù)模塊下。同時，可根據(jù)不同計算任務(wù)的需求對其在網(wǎng)頁界面上的位置進(jìn)行布置，并改變該參數(shù)模塊與計算任務(wù)之間的隸屬關(guān)系，以便更好地展示每個參數(shù)模塊。

5) 數(shù)據(jù)管理。該功能模塊主要用于統(tǒng)計整個計算平臺中不同類型計算任務(wù)的數(shù)據(jù)，并以工程列表的形式展示。該功能模塊還可作為船舶快速性計算策略更新迭代的依據(jù)，結(jié)合拖曳水池試驗數(shù)據(jù)對計算策略進(jìn)行更新迭代。

需注意的是，以上功能主要是為管理員設(shè)定的，通過管理員層面的設(shè)定滿足普通用戶對便捷操作的需求。對于普通用戶而言，計算平臺只開放工程管理功能模塊，用戶只需根據(jù)界面提示，調(diào)用相應(yīng)的計算模板即可完成數(shù)值評估，并獲取相應(yīng)的計算結(jié)果。

2 船舶快速性計算策略開發(fā)

精確地進(jìn)行數(shù)值評估有利于船舶設(shè)計人員更好地完成船舶改型優(yōu)化和航速評估。因此，準(zhǔn)確評估船模靜水阻力、螺旋槳敞水特性和船模自航特性至關(guān)重要。

2.1 船模靜水阻力計算策略開發(fā)

船模靜水阻力計算策略研究分為網(wǎng)格劃分策略和求解器相關(guān)參數(shù)策略2部分，見圖2。針對網(wǎng)格劃分策略，開發(fā)包含全局網(wǎng)格尺寸、船體邊界層參數(shù)、計算尺寸、艏艉加密區(qū)域尺寸及網(wǎng)格尺寸、船體附近加密區(qū)域及網(wǎng)格尺寸、自由液面加密區(qū)域及網(wǎng)格尺寸等眾多參數(shù)的策略;針對求解器相關(guān)參數(shù)策略，開發(fā)包含時間步長、邊界條件、湍流模型和離散格式等眾多參數(shù)的策略。詳細(xì)內(nèi)容見船舶靜水阻力計算策略研究報告。

2.2 螺旋槳敞水計算策略開發(fā)

對于螺旋槳敞水計算策略，通過參考相關(guān)文獻(xiàn)和總結(jié)計算經(jīng)驗，從幾何部件尺寸策略、網(wǎng)格劃分策略和求解器相關(guān)參數(shù)策略等3個方面進(jìn)行開發(fā)，見圖3。

1) 幾何部件尺寸策略主要研究螺旋槳布置形式、計算區(qū)域尺寸、轉(zhuǎn)子區(qū)域尺寸和加密區(qū)域尺寸對計算精度的影響;

2) 網(wǎng)格劃分策略主要研究全局網(wǎng)格尺寸、螺旋槳槳葉表面網(wǎng)格尺寸、邊界層網(wǎng)格尺寸和加密區(qū)域網(wǎng)格尺寸對計算精度的影響;

3) 求解器相關(guān)參數(shù)策略主要研究時間步長、離散格式、邊界條件和湍流模型對計算精度的影響。

這部分的詳細(xì)內(nèi)容見螺旋槳敞水計算策略研究報告。

2.3 船模自航計算策略開發(fā)

船模自航計算策略開發(fā)需綜合考慮船模靜水阻力計算策略和螺旋槳敞水計算策略，在進(jìn)行自航數(shù)值評估時需模擬船、槳、舵干擾下的流體流動情況，船模自航數(shù)值評估的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到自航點的獲取，對航速評估有重要影響。為此，結(jié)合船模靜水阻力和螺旋槳敞水部分的網(wǎng)格策略，針對求解器進(jìn)行計算策略開發(fā)，對時間步長、時間項的離散格式、邊界條件和湍流模型進(jìn)行研究，詳細(xì)內(nèi)容見船模自航計算策略研究報告。

3 船舶快速性計算策略有效性驗證

計算平臺中數(shù)值評估精度的可信度是用戶最關(guān)切的核心問題。為此，采用大量常規(guī)模型試驗數(shù)據(jù)對船舶快速性計算策略的有效性進(jìn)行驗證。

3.1 船模靜水阻力計算策略有效性驗證

針對船模靜水阻力策略的有效性驗證，從數(shù)值水池大子樣數(shù)據(jù)庫中隨機抽取19艘常規(guī)主力船型得到52個計算樣本，其中，散貨船的比例為42.1%，油船的比例為26.3%，集裝箱船的比例為31.6%。這些船型的垂線間長、方形系數(shù)和弗勞德數(shù)的分布情況見圖4。

圖4 船舶Lpp、Cb和Fr的分布情況

表1為船模靜水阻力計算策略的總體誤差分布情況，其中：誤差介于-3%～<-2%的占3.8%；誤差介于-2%～<-1%的占17.4%；誤差介于-1%～<1%的占51.9%；誤差介于1%～<2%的占11.5%；誤差介于2%～3%的占15.4%。

表1 船模靜水阻力計算策略的總體誤差分布情況

3.2 螺旋槳敞水計算策略有效性驗證

對于螺旋槳敞水計算策略有效性驗證，同樣從數(shù)值水池大子樣數(shù)據(jù)庫中隨機抽取20個螺旋槳。圖5為螺旋槳槳葉數(shù)、直徑和螺距比的分布情況，其中：四葉槳占80%，五葉槳占15%，六葉槳占5%；螺旋槳直徑小于0.18 m的占25%，螺旋槳直徑介于0.18～<0.20 m的占10%，螺旋槳直徑介于0.20～<0.22 m的占20%，螺旋槳直徑介于0.22～<0.24 m的占35%，螺旋槳直徑大于等于0.24 m的占10%;<0.7的占15%，介于0.7～<0.8的占35%，介于0.8～<0.9的占35%，介于0.9～<1.1的占10%，≥1.1的占5%。

圖5 螺旋槳槳葉數(shù)、D和P/D的分布情況

表2為螺旋槳敞水計算策略的總體誤差分布情況。在螺旋槳推力精度方面，誤差介于-3%～<-2%的占15.8%，誤差介于-2%～<-1%的占10.5%，誤差介于-1%～<1%的占47.4%，誤差介于1%～<2%的占15.8%，誤差介于2%～3%的占10.5%;在螺旋槳扭矩精度方面，誤差介于-3%～<-2%的占10.5%，誤差介于-2%～<-1%的占5.3%，誤差介于-1%～<1%的占31.6%，誤差介于1%～<2%的占31.6%，誤差介于2%～3%的占21.1%。

表2 螺旋槳敞水計算策略的總體誤差分布情況

3.3 船模自航計算策略有效性驗證

對于船模自航計算策略有效性驗證，考慮到船模自航需消耗大量的計算成本，特別是在獲取單一航速下的自航點時，需通過2個或2個以上螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行插值獲取，從數(shù)值水池大子樣數(shù)據(jù)庫中隨機抽取6艘船舶驗證船模自航計算策略的有效性，其中，油船2艘，集裝箱船2艘，散貨船2艘。圖6為這6艘船舶的、和的分布情況。

圖6 船模自航計算策略船舶Lpp、Cb和Fr分布情況

表3為船模自航計算策略的總體誤差分布情況。在螺旋槳推力精度方面，誤差介于-3%～<0%的有4艘，誤差介于0%～<3%的有2艘;在螺旋槳扭矩精度方面，誤差介于-5%～-<3%的有1艘，誤差介于-3%～<0%的有1艘，誤差介于0%～<3%的有4艘。

表3 船模自航計算策略的總體誤差分布情況

基于大子樣數(shù)據(jù)庫的船模試驗結(jié)果表明，提出的船舶快速性計算策略能滿足工程應(yīng)用的精度要求，利用計算平臺的模板功能模塊將該策略集成到計算平臺中，方便普通用戶調(diào)用。

4 應(yīng)用實例

下面以國際標(biāo)模KCS船為例,展示該計算平臺的特點。用戶登錄計算平臺并創(chuàng)建工程之后，只需上傳船舶幾何文件、填寫船型基本信息(見圖7)，并點擊運行計算即可，計算平臺會基于船舶快速性計算策略模板，自動實現(xiàn)計算域設(shè)定、網(wǎng)格劃分和求解計算。

圖7 計算參數(shù)配置

待計算完成之后，用戶可選擇進(jìn)行后處理操作。計算平臺集成有通用版后處理模板，提供有豐富的后處理結(jié)果，包括船行波、船體表面壓力分布、船身貼體流線、槳盤面伴流、槳盤面矢量圖、船身伴流和縱切波等，見圖8和圖9。

圖8 船行波、船體表面壓力分布和船身貼體流線后處理結(jié)果

d) 縱切波

若計算平臺生成的后處理結(jié)果不滿足用戶的需求，用戶還可根據(jù)平臺的用戶自定義功能，自行定義后處理結(jié)果中的相關(guān)變量(見圖10)，重新生成后處理結(jié)果。

圖10 后處理結(jié)果自定義(船行波)

5 結(jié) 語

本文基于B/S架構(gòu)搭建了船舶快速性計算平臺，同時設(shè)置了10個功能模塊滿足船舶設(shè)計人員的應(yīng)用需求。為保證船舶快速性計算的精度，開展了船舶快速性計算策略研究，并通過數(shù)值水池大子樣數(shù)據(jù)庫中的試驗數(shù)據(jù)對該策略的有效性進(jìn)行了驗證，最終通過國際標(biāo)模KCS船展示了該船舶快速性計算平臺的特點，主要得到以下結(jié)論：

1) 計算平臺設(shè)計充分考慮了船舶設(shè)計人員的應(yīng)用場景，最大程度貼合用戶需求，簡化用戶操作；

2) 船舶快速性計算平臺操作便捷，基于導(dǎo)入的船型參數(shù)和幾何文件，一鍵式自動劃分網(wǎng)格，設(shè)置求解器相關(guān)參數(shù)并完成計算；

3) 開發(fā)的船舶快速性計算策略能覆蓋三大主力船型，經(jīng)過大子樣數(shù)據(jù)庫中的試驗數(shù)據(jù)驗證，大部分計算結(jié)果都能滿足工程精度的需求；

4) 計算平臺提供了豐富的后處理功能，如網(wǎng)格、船行波、船體表面壓力分布、船身貼體流線、槳盤面伴流、槳盤面矢量圖、船身伴流和縱切波等，能滿足船舶設(shè)計人員日常工作中對各種數(shù)據(jù)后處理的需求；

5) 在設(shè)計計算平臺初期就充分考慮了擴展性，在計算機硬件和計算策略允許的情況下，可進(jìn)一步擴展計算平臺的功能，如耐波性和操縱性等。

本文提出的船舶快速性計算平臺能極大地簡化船舶設(shè)計人員的操作，使其能將更多精力放在船型優(yōu)化上，但從計算策略驗證過程來看，船模靜水阻力和螺旋槳敞水的精度為±3%，而船模自航的精度為±5%，仍有一定的提升空間。后續(xù)將基于該計算平臺，結(jié)合船模試驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步更新迭代船舶快速性計算策略，為船舶設(shè)計人員提供更精確的數(shù)值評估結(jié)果。