张青山， 任海奎， 陈昆鹏， 杜云龙

(上海船舶运输科学研究所有限公司 a.航运技术与安全国家重点实验室；b.航运技术交通行业重点实验室, 上海 200135)

0 引 言

近年来，随着计算机性能的不断提升和数值算法的快速发展，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法在船舶领域得到了广泛应用,已实现对各种复杂流场的模拟，计算用时大幅缩短。同时，国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference，ITTC)针对CFD方法的不确定度分析方法的规程给出了数值计算方面的合理有效建议。目前，CFD方法已在船舶快速性评估中得到广泛应用,特别是在船型优化方面，CFD方法能快速、准确地评估船舶的性能，有效克服传统水池试验周期长、成本高的缺点。

对于船舶快速性评估而言，由于不同的研究人员对流动现象的理解不同，使得模拟结果存在差异。为获取相对准确的数值模拟结果，研究人员需深刻认识流动现象，同时能结合控制方程和相关算法对CFD数值模拟进行有效设定，这对于船舶设计人员来说需耗费大量的时间和精力。另外，数值计算需消耗大量计算资源，同时会产生大量数据，这会引发集群管理和数据存储等问题。如何使船舶设计人员将更多精力投入到船舶优化中，而不必过多地考虑CFD数值模拟涉及的算法和参数设置，是提升船舶优化效率需解决的关键问题。

本文基于B/S(Browser/Server)架构设计船舶快速性计算平台，贴合船舶设计人员的应用场景，尽量减少设计人员的输入量，简化操作流程。设计10个功能模块，以满足船舶设计人员的应用场景需求；设置外部接口调用外部应用程序，实现自动进行数值评估的过程。为保证船舶快速性计算的精度，开展船舶快速性计算策略研究，并利用数值水池大子样数据库中的试验数据对该策略的有效性进行验证，最终通过国际标模KCS船展示船舶快速性计算平台的特点。

1 计算平台设计

为提升船舶优化效率，需设计船舶快速性计算平台：首先，对计算平台的使用需求进行调研和分析，充分了解船舶设计人员的业务需求；然后，设计能满足多任务、多用户、高效计算需求的计算平台架构和相应的功能模块,满足数值计算的工况需求。

1.1 需求分析

在设计计算平台时，需综合考虑船舶工程的应用场景和船舶设计人员的工作流程，保证不同用户之间计算任务的独立性，从而满足不同客户的船型保密性要求。同时，需考虑简化用户的操作，只需提供船型基本参数、船舶几何文件和计算工况即可进行计算。为满足上述需求，需为计算平台设计相应的功能模块并制定相应的规则，以保证自动运行计算任务，自动存储相关数据，自动进行数值评估，最终给出计算结果。另外，为保证数值评估的精度，需封装船舶快速性计算策略。

1.2 架构设计

船舶快速性计算平台是用于对船舶快速性数值计算任务进行调度和管理的平台。此类数值计算需消耗大量的计算资源，通常在集群或超算中心执行。考虑到使用的便捷性，基于B/S架构设计计算平台(见图1)，最终部署在集群中。将计算平台设置为3层,其中：第一层为交互层，主要为浏览器展示的页面，为用户提供交互和查询等操作；第二层为功能层，主要是针对用户应用场景设计的相关功能，共10个功能模块；第三层为数据层，整个平台运行时所需数据和产生的数据的增、删、改、查等操作都在该层进行，为平台的运行提供数据支撑。同时，设置针对外部程序的结构，可将平台上计算任务所需数据传递到调用引擎中，从而调用外部应用程序进行数值计算。

图1 船舶快速性计算平台架构

1.3 功能设计

为保证计算平台能供用户便捷地使用，满足用户的交互需求，为计算平台设计10个功能模块，可分为平台管理和平台界面设计2类。

1.3.1 平台管理类功能模块

平台管理类功能模块是对平台上的信息和数据进行管理的功能模块，便于管理员对平台上的信息和数据进行管理。

1) 日志管理。该功能模块用于记录自启动平台以来平台上的所有操作，包括用户操作日志和节点状态日志，保证平台调用的所有操作都能溯源。另外，日志信息只支持查询操作，禁止包括管理员在内的所有用户进行修改和删除操作。

2) 用户管理。该功能模块主要实现对平台用户的管理，管理员可对用户进行增、删、改、查等操作，并为其设置账号、密码等信息。另外，管理员可对用户进行角色和部门分配，同时为其设定相应的权限，以便同一工程用户能查询该工程的进展情况。

3) 工程管理。对于单一船舶改型优化项目而言，该功能模块主要用于管理所有工程。项目负责人对拥有权限的工程进行增、删、改、查等操作。此外,该功能模块设有工程审核功能，部门领导有权对其进行审核并准予通过。需注意的是，不同工程之间是相互独立的，每个工程对应的阻力、螺旋桨敞水和自航计算任务都应隶属于该工程，包括该改型后的相关计算任务。

4) 任务管理。该模块用于管理平台中的所有计算任务，包括排队中、运行中和已完成的计算任务。对于排队中的计算任务，管理员可对其进行排序、移除、暂停提交、放行和列表导出等操作;对于运行中的计算任务，管理员可将其终止;对于已完成的计算任务，管理员可查看其列表和详情。

5) 硬件资源管理。该功能模块用于调度集群中的计算资源，以满足计算任务的需求。当计算任务爆发时，管理员可增加计算节点投入；当计算任务减少时，管理员可适当减少计算节点投入，从而将更多的计算资源投入到研发任务中。另外，管理员可配置每项计算任务占用的计算节点数，计算平台在自动调度计算任务时，可根据该设定自动分配集群中的计算节点。

1.3.2 平台界面设计类功能模块

平台界面设计类功能模块主要用于辅助完成网页界面设计，方便管理员贴合船舶设计人员的计算需求设计网页界面，方便进一步扩展计算平台的功能，如耐波性和操纵性计算等。

1) 变量管理。该功能模块主要针对数值评估所需变量，主要分为输入变量和输出变量2类。对于输入变量，管理员需指定其名称、类型、单位、录入形式、是否必填、隶属参数模块、范围和符号表示等关键字段，以便该变量能被准确调用;对于输出变量，管理员需指定其名称、精度、单位、变量符号表示和计算表达式等关键字段。

2) 规则管理。该功能模块主要针对平台中的3类规则进行设定和管理。

(1) 计费规则，用于设定每项计算任务的计费规则；

(2) 文件下载规则，用于设定允许用户下载的文件类型，如以png、sce等为后缀的文件，方便用户将其下载到本地计算机中；

(3) 几何模型接受规则，用于限定每项计算任务所需几何模型的格式，保证平台内部几何文件的数据格式的一致性。

3) 模板管理。该功能模块主要用于集成船舶快速性计算策略，保证平台在阻力、敞水和自航计算方面的精度满足要求。每种计算类型(阻力、敞水、自航)对应普通计算模板、续算模板和后处理模板等3类模板。不同模板所需变量不尽相同，需更新迭代模板中的变量和宏文件进行关联。随着船舶快速性计算策略的更新迭代，管理员可对现有模板进行升级，进一步提高计算精度。另外，在船舶改型优化过程中，通常需对大量改型船舶的阻力进行评估，需耗费较多的时间。为此，单独开发改型计算模板，对于船舶改型幅度不大的评估计算，采用改型计算模板可降低60%的时间成本。

4) 参数模块管理。该功能模块用于设计不同计算任务的网页界面内容，管理员可根据计算类型设定相应的参数模块，并将同类变量归并到1个参数模块下。同时，可根据不同计算任务的需求对其在网页界面上的位置进行布置，并改变该参数模块与计算任务之间的隶属关系，以便更好地展示每个参数模块。

5) 数据管理。该功能模块主要用于统计整个计算平台中不同类型计算任务的数据，并以工程列表的形式展示。该功能模块还可作为船舶快速性计算策略更新迭代的依据，结合拖曳水池试验数据对计算策略进行更新迭代。

需注意的是，以上功能主要是为管理员设定的，通过管理员层面的设定满足普通用户对便捷操作的需求。对于普通用户而言，计算平台只开放工程管理功能模块，用户只需根据界面提示，调用相应的计算模板即可完成数值评估，并获取相应的计算结果。

2 船舶快速性计算策略开发

精确地进行数值评估有利于船舶设计人员更好地完成船舶改型优化和航速评估。因此，准确评估船模静水阻力、螺旋桨敞水特性和船模自航特性至关重要。

2.1 船模静水阻力计算策略开发

船模静水阻力计算策略研究分为网格划分策略和求解器相关参数策略2部分，见图2。针对网格划分策略，开发包含全局网格尺寸、船体边界层参数、计算尺寸、艏艉加密区域尺寸及网格尺寸、船体附近加密区域及网格尺寸、自由液面加密区域及网格尺寸等众多参数的策略;针对求解器相关参数策略，开发包含时间步长、边界条件、湍流模型和离散格式等众多参数的策略。详细内容见船舶静水阻力计算策略研究报告。

2.2 螺旋桨敞水计算策略开发

对于螺旋桨敞水计算策略，通过参考相关文献和总结计算经验，从几何部件尺寸策略、网格划分策略和求解器相关参数策略等3个方面进行开发，见图3。

1) 几何部件尺寸策略主要研究螺旋桨布置形式、计算区域尺寸、转子区域尺寸和加密区域尺寸对计算精度的影响;

2) 网格划分策略主要研究全局网格尺寸、螺旋桨桨叶表面网格尺寸、边界层网格尺寸和加密区域网格尺寸对计算精度的影响;

3) 求解器相关参数策略主要研究时间步长、离散格式、边界条件和湍流模型对计算精度的影响。

这部分的详细内容见螺旋桨敞水计算策略研究报告。

2.3 船模自航计算策略开发

船模自航计算策略开发需综合考虑船模静水阻力计算策略和螺旋桨敞水计算策略，在进行自航数值评估时需模拟船、桨、舵干扰下的流体流动情况，船模自航数值评估的准确性直接关系到自航点的获取，对航速评估有重要影响。为此，结合船模静水阻力和螺旋桨敞水部分的网格策略，针对求解器进行计算策略开发，对时间步长、时间项的离散格式、边界条件和湍流模型进行研究，详细内容见船模自航计算策略研究报告。

3 船舶快速性计算策略有效性验证

计算平台中数值评估精度的可信度是用户最关切的核心问题。为此，采用大量常规模型试验数据对船舶快速性计算策略的有效性进行验证。

3.1 船模静水阻力计算策略有效性验证

针对船模静水阻力策略的有效性验证，从数值水池大子样数据库中随机抽取19艘常规主力船型得到52个计算样本，其中，散货船的比例为42.1%，油船的比例为26.3%，集装箱船的比例为31.6%。这些船型的垂线间长、方形系数和弗劳德数的分布情况见图4。

图4 船舶Lpp、Cb和Fr的分布情况

表1为船模靜水阻力计算策略的总体误差分布情况，其中：误差介于-3%～<-2%的占3.8%；误差介于-2%～<-1%的占17.4%；误差介于-1%～<1%的占51.9%；误差介于1%～<2%的占11.5%；误差介于2%～3%的占15.4%。

表1 船模靜水阻力计算策略的总体误差分布情况

3.2 螺旋桨敞水计算策略有效性验证

对于螺旋桨敞水计算策略有效性验证，同样从数值水池大子样数据库中随机抽取20个螺旋桨。图5为螺旋桨桨叶数、直径和螺距比的分布情况，其中：四叶桨占80%，五叶桨占15%，六叶桨占5%；螺旋桨直径小于0.18 m的占25%，螺旋桨直径介于0.18～<0.20 m的占10%，螺旋桨直径介于0.20～<0.22 m的占20%，螺旋桨直径介于0.22～<0.24 m的占35%，螺旋桨直径大于等于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%。

图5 螺旋桨桨叶数、D和P/D的分布情况

表2为螺旋桨敞水计算策略的总体误差分布情况。在螺旋桨推力精度方面，误差介于-3%～<-2%的占15.8%，误差介于-2%～<-1%的占10.5%，误差介于-1%～<1%的占47.4%，误差介于1%～<2%的占15.8%，误差介于2%～3%的占10.5%;在螺旋桨扭矩精度方面，误差介于-3%～<-2%的占10.5%，误差介于-2%～<-1%的占5.3%，误差介于-1%～<1%的占31.6%，误差介于1%～<2%的占31.6%，误差介于2%～3%的占21.1%。

表2 螺旋桨敞水计算策略的总体误差分布情况

3.3 船模自航计算策略有效性验证

对于船模自航计算策略有效性验证，考虑到船模自航需消耗大量的计算成本，特别是在获取单一航速下的自航点时，需通过2个或2个以上螺旋桨转速进行插值获取，从数值水池大子样数据库中随机抽取6艘船舶验证船模自航计算策略的有效性，其中，油船2艘，集装箱船2艘，散货船2艘。图6为这6艘船舶的、和的分布情况。

图6 船模自航计算策略船舶Lpp、Cb和Fr分布情况

表3为船模自航计算策略的总体误差分布情况。在螺旋桨推力精度方面，误差介于-3%～<0%的有4艘，误差介于0%～<3%的有2艘;在螺旋桨扭矩精度方面，误差介于-5%～-<3%的有1艘，误差介于-3%～<0%的有1艘，误差介于0%～<3%的有4艘。

表3 船模自航计算策略的总体误差分布情况

基于大子样数据库的船模试验结果表明，提出的船舶快速性计算策略能满足工程应用的精度要求，利用计算平台的模板功能模块将该策略集成到计算平台中，方便普通用户调用。

4 应用实例

下面以国际标模KCS船为例,展示该计算平台的特点。用户登录计算平台并创建工程之后，只需上传船舶几何文件、填写船型基本信息(见图7)，并点击运行计算即可，计算平台会基于船舶快速性计算策略模板，自动实现计算域设定、网格划分和求解计算。

图7 计算参数配置

待计算完成之后，用户可选择进行后处理操作。计算平台集成有通用版后处理模板，提供有丰富的后处理结果，包括船行波、船体表面压力分布、船身贴体流线、桨盘面伴流、桨盘面矢量图、船身伴流和纵切波等，见图8和图9。

图8 船行波、船体表面压力分布和船身贴体流线后处理结果

d) 纵切波

若计算平台生成的后处理结果不满足用户的需求，用户还可根据平台的用户自定义功能，自行定义后处理结果中的相关变量(见图10)，重新生成后处理结果。

图10 后处理结果自定义(船行波)

5 结 语

本文基于B/S架构搭建了船舶快速性计算平台，同时设置了10个功能模块满足船舶设计人员的应用需求。为保证船舶快速性计算的精度，开展了船舶快速性计算策略研究，并通过数值水池大子样数据库中的试验数据对该策略的有效性进行了验证，最终通过国际标模KCS船展示了该船舶快速性计算平台的特点，主要得到以下结论：

1) 计算平台设计充分考虑了船舶设计人员的应用场景，最大程度贴合用户需求，简化用户操作；

2) 船舶快速性计算平台操作便捷，基于导入的船型参数和几何文件，一键式自动划分网格，设置求解器相关参数并完成计算；

3) 开发的船舶快速性计算策略能覆盖三大主力船型，经过大子样数据库中的试验数据验证，大部分计算结果都能满足工程精度的需求；

4) 计算平台提供了丰富的后处理功能，如网格、船行波、船体表面压力分布、船身贴体流线、桨盘面伴流、桨盘面矢量图、船身伴流和纵切波等，能满足船舶设计人员日常工作中对各种数据后处理的需求；

5) 在设计计算平台初期就充分考虑了扩展性，在计算机硬件和计算策略允许的情况下，可进一步扩展计算平台的功能，如耐波性和操纵性等。

本文提出的船舶快速性计算平台能极大地简化船舶设计人员的操作，使其能将更多精力放在船型优化上，但从计算策略验证过程来看，船模静水阻力和螺旋桨敞水的精度为±3%，而船模自航的精度为±5%，仍有一定的提升空间。后续将基于该计算平台，结合船模试验数据进一步更新迭代船舶快速性计算策略，为船舶设计人员提供更精确的数值评估结果。