作者:唐晓伟 张好成 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2014-4-25 23:51:33
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数值水池:协同创新引领船海装备设计方法的变革
 
(科学网 唐晓伟 张好成报道) 物理水池试验长期以来一直是船舶与海洋工程装备研发的必要条件。随着计算机技术的发展, 一理念正逐渐被“数值水池”技术所颠覆,这也是“深海工程与高技术船舶协同创新中心”首席科学家、哈尔滨工程大学长江学者特聘教授段文洋和他的团队致力以求目标。
 
物理水池试验长期以来一直是船舶与海洋工程装备研发的必要条件。现在这这也是“深海工程与高技术船舶协同创新中心”首席科学家、哈尔滨工程大学长江学者特聘教授段文洋和他的团队致力以求目标。
 
数值水池的基本原理是用计算机模拟流体流动,求解流体运动方程,模拟海洋结构物的运动和受力,用软件实现甚至超越物理水池的功能,从而设计出更优化的船型和深海平台形式。该技术是船舶与海洋工程装备研发由物理水池试验向虚拟仿真试验转变的最重要支撑技术,也是船舶与海洋工程装备设计方法的革命性转变,具有极其重要的理论和工程意义。
 
早在1999年,段文洋就在国内率先提出了“数值水池”的概念, 并引起了学界的重视,得到教育部的专项支持。最近,在“深海工程与高技术船舶协同创新中心”的推动下,数值水池顶层研究国际专家咨询会在哈尔滨工程大学召开,来自国内外的船海专家围绕数值水池的研究方向、路线和目标进行了深入研讨。
 
水动力性能是船舶与海洋工程结构的基本性能,也是船舶与海洋工程装备总体设计的基础。长期以来,其研究主要依靠物理水池模型试验实现。世界上也因此建立了大量耗资巨大的船模试验水池。物理水池投资大,建设周期长,一旦建成很难更改,难以满足船舶和海洋工程装备发展的需求。以深海平台为例,如果露在海面上的平台海面投影为5000平方米的半潜式平台,那么其水下的锚泊系统的海底分布将达到北京五环的范围。所以,已有的物理水池设施并不能从根本上解决模型试验研究问题。
 
随着计算流体力学的发展和计算机软硬件条件的改善,数值水池将计算机与流体力学软件配套,将水面极端的风浪和水下复杂的湍流等现象模拟得较准,在同样精度的前提下,比物理水池的效率高、时间短、成本低、可远程操控,减少设计的不确定性、更容易实现设计优化。
 
“以深海工程中的立柱式平台试验为例,螺旋阻尼板是立柱式平台设计的核心。做一个测试螺旋阻尼板的相关试验,如果用传统的物理水池,至少要半个月的周期,经济成本至少以百万元计算,而如果用数值水池,只需12个小时和640核的计算机用量,成本仅为1152元。”记者看到,在计算机逼真的动画效果中,在物理实验中看不到的流体流动细节分别用蓝色、绿色、红色表示流场中浮体表面的压力分布,直观地显示着海洋平台在波流中压力的变化,更容易实现螺旋阻尼板的位置、形状和尺寸的优化设计。
 
“再如,在主要用于深海油气开采的张力腿平台设计中,张力变化是该平台设计的关键,通过数值水池造出的波浪对平台的作用力,可以计算出哪根张力腿所受力更大,进而在设计中进行加强,避免工程实际中造成损失。”段文洋说。
 
数值水池可以实现包括雷诺平均数值模拟、大涡模拟、直接数值模拟等模拟流体流动的三种类型。其不但可实现用于船舶试验的拖曳水池、空泡水洞、耐波性水池、操纵性水池和用于海洋工程的风浪流水池的功能,还可以揭示流体流动现象产生的原因,对流场精细的观测远远超越了物理水池,并可最终实现实际尺度海洋结构物的模拟,实现在整个结构物周围流场想看哪看哪,进而向模拟实际舰船在海洋中航行,结合海洋风浪气象预报,数值预报船舶沿着不同航线航行时动力响应,进而选择节能、安全、舒适的最佳航线的更高层次发展。
 
数值水池试验成为新船型和海工装备开发、设计、营运中水动力性能分析和预报的必备手段。开展自主研发我国数值水池技术的工作,迅速抢占这一船舶水动力学高科技发展的制高点,不仅是造船和海洋工程行业的迫切市场需求,而且是满足我国高技术船舶和新型海工装备技术的创新发展需求,为我国船舶与海洋结构物设计思想方法的自主创新和设计技术能力的跨越发展奠定基础。
 
工信部于2013年10月先期批复 “数值水池技术”重大专项的顶层研究立项,开展总体设计、技术体系框架、技术路线研究,为重大专项的立项和研究奠定基础。由深海工程与高技术船舶协同创新中心组织落实,哈尔滨工程大学牵头,中船重工第702研究所、大连理工大学、武汉理工大学、中国船级社等多家单位参加,同时联合美国、英国、法国、日本等国际顶级专家组成的国际团队联合开展数值水池技术的研究。顶层研究项目由深海工程与高技术船舶协同创新中心通过协同相关优势成员单位共同承担,针对发展高技术船舶、研发新型海工装备和建设海洋强国对于数值水池技术的迫切需求,努力自主开发数值水池技术,明确研制路线,发展阶段,规划系统构成、模块类型和功能等,构建适应不同用户的数值水池应用平台方案。
 
“虽然还有许多难题有待解决,但开发出具有我国自主知识产权的数字水池技术为时不远”, 段文洋充满信心的表示。
 
 
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