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数值水池

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简介

       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。

       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。

       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。

数值水池的优势

      (1)实验成本降低。

      (2)实现精细流场预报,扩展实验功能。

      (3)消除水池有限尺度带来的不利影响。

      (4)提高船型设计效率。

      (5)直接模拟实际尺度船舶与海洋结构。突破流体动力不能完全缩比的困难,将计算流体力学直接用于实船尺度流场模拟

      (6)实时模拟海洋环境对船舶与海洋平台的动力效应。根据海洋天气预报,结合不同层次的波浪模型开展海上航路风浪场预报,实时模拟船舶动力响应

相关资料

       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。

       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。

       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。

      目前该水池的创新研究方向:

    (1)基于网格的大涡模拟(LES)方法、

    (2)多区域多功能的耦合方法、

    (3)无网络粒子及耦合方法。

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