趙 峰，吳乘勝，張志榮，金建海

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 水動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214082）

實(shí)現(xiàn)數(shù)值水池的關(guān)鍵技術(shù)初步分析

趙 峰，吳乘勝，張志榮，金建海

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 水動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214082）

文章簡(jiǎn)要介紹了數(shù)值水池的技術(shù)內(nèi)涵和特征；在此基礎(chǔ)上，論述了數(shù)值水池與CFD的發(fā)展性和應(yīng)用性差異，分別提出了CFD技術(shù)與數(shù)值水池發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)族，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)值水池的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和闡述；最后以船模阻力虛擬測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為例，介紹了其中的部分主要關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑。該文的研究工作，可為數(shù)值水池研發(fā)提供重要的參考和支撐。

數(shù)值水池；CFD；關(guān)鍵技術(shù)

0 引 言

水動(dòng)力學(xué)是船舶工業(yè)的重要基礎(chǔ)共性技術(shù)，是船舶總體技術(shù)的核心基礎(chǔ)；綜合水動(dòng)力性能評(píng)估是船舶設(shè)計(jì)必不可少的重要組成部分。在全球造船能力過(guò)剩、市場(chǎng)有效需求不足、節(jié)能減排成為全球共識(shí)、技術(shù)壁壘日益嚴(yán)格等背景下，船舶綜合水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)、評(píng)估和優(yōu)化的重要性越發(fā)凸顯。

近年來(lái)，CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)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。伴隨全球船舶水動(dòng)力學(xué)CFD應(yīng)用技術(shù)的快速進(jìn)步，數(shù)值水池已成為一個(gè)熱門詞匯；從物理水池模型試驗(yàn)到數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，更是船舶水動(dòng)力學(xué)界追求的夢(mèng)想。而恰恰是近年來(lái)船舶水動(dòng)力學(xué)CFD應(yīng)用技術(shù)的快速進(jìn)步，使我們看到了夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)的可能性。

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的研究團(tuán)隊(duì)，在長(zhǎng)期的船舶水動(dòng)力學(xué)CFD技術(shù)及應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)新形勢(shì)下船舶水動(dòng)力性能評(píng)估、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的需求，對(duì)數(shù)值水池的概念內(nèi)涵和技術(shù)特征進(jìn)行了較為系統(tǒng)性的闡述，介紹了數(shù)值水池的頂層設(shè)計(jì)研究技術(shù)與研究范疇，給出了數(shù)值水池的頂層研究架構(gòu)，并提出了數(shù)值水池頂層設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)施方案和解決途徑[1]。

本文在文獻(xiàn)[1]工作的基礎(chǔ)上，論述了數(shù)值水池與CFD的發(fā)展性和應(yīng)用性差異，分別提出了CFD技術(shù)與數(shù)值水池發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)族，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)值水池的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和闡述，為數(shù)值水池研發(fā)提供參考和支撐。

1 數(shù)值水池內(nèi)涵與技術(shù)特征簡(jiǎn)述

在不同的時(shí)期，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)“數(shù)值水池”的理解和認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展的，因而其內(nèi)涵也是不斷發(fā)展的。

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的研究團(tuán)隊(duì)，在長(zhǎng)期CFD技術(shù)及應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，針對(duì)新時(shí)期、新形勢(shì)的需求，對(duì)數(shù)值水池的內(nèi)涵進(jìn)行了創(chuàng)造性的發(fā)展，并闡述了其技術(shù)特征[1]，概括起來(lái)就是“一點(diǎn)定位、兩個(gè)本質(zhì)、三大特征”。

定位：數(shù)值水池是應(yīng)用型技術(shù)，追求的是做一類確定性的事情，強(qiáng)調(diào)可靠性。

數(shù)值水池的兩大本質(zhì)：一是虛擬試驗(yàn)—通過(guò)對(duì)環(huán)境與對(duì)象的建模，比擬物理水池模型試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)系列“虛擬測(cè)量系統(tǒng)”，提供精細(xì)水動(dòng)力學(xué)信息虛擬“測(cè)試”；二是服務(wù)新模式—借助E技術(shù)和云技術(shù)等新興技術(shù)，高效能響應(yīng)客戶需求，提供經(jīng)驗(yàn)證的精細(xì)水動(dòng)力學(xué)信息和沉浸式體驗(yàn)。

數(shù)值水池技術(shù)特征之一：基于屬性細(xì)分的知識(shí)封裝。在對(duì)CFD技術(shù)的應(yīng)用研究基礎(chǔ)上，對(duì)船型、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)類別等屬性進(jìn)行細(xì)分，將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、成熟可靠的CFD應(yīng)用技術(shù)專家知識(shí)進(jìn)行封裝，最大程度地固化CFD應(yīng)用條件。

數(shù)值水池技術(shù)特征之二：基準(zhǔn)試驗(yàn)檢驗(yàn)與大子樣應(yīng)用驗(yàn)證及結(jié)果的可信度評(píng)估。建立虛擬試驗(yàn)的可信度評(píng)估方法，讓用戶在虛擬試驗(yàn)之前就能夠知道數(shù)值水池試驗(yàn)項(xiàng)目的量化精度指標(biāo)，滿足用戶的核心需求，提升用戶對(duì)數(shù)值水池的使用信心。

數(shù)值水池技術(shù)特征之三：情景化。對(duì)試驗(yàn)對(duì)象、環(huán)境、過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行虛擬重建，構(gòu)造并展現(xiàn)時(shí)空高精度的水動(dòng)力學(xué)“全”物理信息，讓用戶獲得沉浸式體驗(yàn)，在時(shí)空?qǐng)鲇騼?nèi)捕捉自己感興趣的信息；同時(shí)，提供遠(yuǎn)程服務(wù)，滿足用戶隨時(shí)隨地實(shí)施虛擬試驗(yàn)的需求。

綜上，數(shù)值水池是依托CFD應(yīng)用技術(shù)、比擬物理水池而提出的全新概念圖像。它是以“知識(shí)封裝、可靠性、情景化”為主要技術(shù)特征，借助高速網(wǎng)絡(luò)通訊為用戶提供虛擬試驗(yàn)服務(wù)的應(yīng)用型技術(shù)。

2 數(shù)值水池與CFD的差異分析

通過(guò)前面對(duì)數(shù)值水池概念內(nèi)涵與技術(shù)特征的闡述可知，數(shù)值水池≠CFD！那么，數(shù)值水池與CFD的差異到底表現(xiàn)在哪些方面呢？總體上看，二者的差異主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面（見(jiàn)表1）；下面進(jìn)行逐一分析。

表1 數(shù)值水池與CFD的差異Tab.1 Differences between numerical tank and CFD

·內(nèi)涵本質(zhì)不同

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。而數(shù)值水池的本質(zhì)是為用戶提供虛擬試驗(yàn)服務(wù)的應(yīng)用型技術(shù)。從內(nèi)涵本質(zhì)看，CFD是一門學(xué)科，而數(shù)值水池是一項(xiàng)應(yīng)用型技術(shù)，二者顯然是不同的。

·目標(biāo)定位不同

根據(jù)內(nèi)涵本質(zhì)，CFD的定位是研究，一般針對(duì)特定問(wèn)題，通常包括研究對(duì)象的抽象/簡(jiǎn)化、數(shù)學(xué)模型的建立、求解器參數(shù)的設(shè)置調(diào)試等。因此，CFD注重的是解決特定問(wèn)題（的能力），更多追求新發(fā)展，類似于“單件試制式”。

數(shù)值水池的定位是應(yīng)用，即通過(guò)“屬性細(xì)分”，基于“知識(shí)封裝”，針對(duì)一類問(wèn)題開(kāi)展虛擬試驗(yàn)。在此過(guò)程中，所有的參數(shù)設(shè)置等皆應(yīng)固化，至少不應(yīng)有較多的變動(dòng)；流程也應(yīng)固化并自動(dòng)化，盡可能避免人工干預(yù)。因此，數(shù)值水池要求對(duì)“屬性細(xì)分”后的一類問(wèn)題是穩(wěn)定的、魯棒的，類似于“批量生產(chǎn)線式”。

·面向的對(duì)象不同

既然CFD的定位是研究，那么其面向的對(duì)象通常是學(xué)者、研究人員等船舶水動(dòng)力學(xué)CFD“專家”類的人員。這類人員通常理論基礎(chǔ)扎實(shí)并具有較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于某類特定的流動(dòng)問(wèn)題有著深刻的理解，在具體算法等方面也有較為深入的研究，并且對(duì)使用的計(jì)算軟件或程序代碼的了解程度較高（有的甚至就是軟件或程序的開(kāi)發(fā)者）。

而數(shù)值水池定位于應(yīng)用，其面向的對(duì)象應(yīng)該是船舶設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等相關(guān)工程技術(shù)人員。我們不能奢望這類人員都是水動(dòng)力學(xué)CFD“專家”，但他們?cè)谠O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)船舶數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)及相關(guān)水動(dòng)力學(xué)信息有著強(qiáng)烈的工程實(shí)際需求。因此，數(shù)值水池應(yīng)該將船舶水動(dòng)力學(xué)CFD專家的“知識(shí)”進(jìn)行封裝后，供相關(guān)工程技術(shù)人員使用。

·可靠性要求不同

這里的可靠性有兩層含義：一是軟件、系統(tǒng)或集成平臺(tái)本身的穩(wěn)定性和魯棒性，二是CFD計(jì)算或虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和可信度。

定位于研究的CFD，既然追求新方法、新發(fā)現(xiàn)和新發(fā)展，不可避免地要在可靠性方面做一些犧牲。當(dāng)然，這些可靠性方面的犧牲，對(duì)于船舶水動(dòng)力學(xué)CFD專家來(lái)說(shuō)通常是能夠處理的，也是能夠接受的。

面向工程應(yīng)用的數(shù)值水池，要求能穩(wěn)定、可靠地做一類事，更加強(qiáng)調(diào)可靠性。對(duì)于使用數(shù)值水池開(kāi)展虛擬試驗(yàn)的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，數(shù)值水池本身的魯棒性和虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可信度都非常重要，二者缺一不可。

·時(shí)效性要求不同

作為CFD研究，對(duì)其時(shí)效性的要求通常不是很急迫。在高度競(jìng)爭(zhēng)的船舶工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的數(shù)值水池，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)時(shí)效性提出了很高的要求，需要能夠在較短的時(shí)間內(nèi)高效能地響應(yīng)用戶或客戶的需求。

3 數(shù)值水池與CFD研發(fā)中的主要關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)前文的分析，數(shù)值水池與CFD在內(nèi)涵本質(zhì)、目標(biāo)定位、面向的對(duì)象、可靠性要求和時(shí)效性要求等諸多方面都是有差異的，因此，二者的關(guān)鍵技術(shù)也必然有差異。以下分別對(duì)CFD研究和數(shù)值水池開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

3.1 CFD研發(fā)中的主要關(guān)鍵技術(shù)

作為一門利用計(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)值模擬與分析的學(xué)科，CFD的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：基礎(chǔ)理論與方法，湍流模擬及模型，界面模擬及模型，網(wǎng)格或空間離散技術(shù)，算法和差分格式，不確定度分析或驗(yàn)證與確認(rèn)（Verification&Validation）等等。以下對(duì)主要的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

·基礎(chǔ)理論與方法

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，本質(zhì)是通過(guò)數(shù)值方法求解控制方程，而控制方程由基礎(chǔ)理論與方法決定?？梢?jiàn)基礎(chǔ)理論與方法是CFD計(jì)算/模擬的根本。

關(guān)于基礎(chǔ)理論和方法，可以從很多角度和方面進(jìn)行分類。根據(jù)描述運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)和方法，可分為拉格朗日方法和歐拉方法；根據(jù)是否考慮流體粘性影響，可分為勢(shì)流方法和粘流方法；根據(jù)是否考慮可壓縮性，能夠分為可壓縮流動(dòng)和不可壓縮流動(dòng)。諸如此類，不一而足。因此，根據(jù)實(shí)際處理的流動(dòng)特點(diǎn)和要求而確定采用何種基礎(chǔ)理論與方法，是CFD計(jì)算首先必須解決的基本問(wèn)題。

·湍流模擬及模型

湍流是自然界和工程技術(shù)中普遍存在的一類流動(dòng)。船舶水動(dòng)力學(xué)研究往往需要了解湍流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和結(jié)構(gòu)特征，很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，在實(shí)驗(yàn)、理論及工程應(yīng)用等方面取得了一定進(jìn)展。但由于湍流運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，至今未能攻克流體力學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中這個(gè)“古老的堡壘”。

在CFD計(jì)算中，對(duì)于如何模擬湍流，存在多種處理方法。常用的湍流模擬手段主要包括：直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，DNS）、大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）和雷諾平均統(tǒng)計(jì)模式（Reynolds Averaged Navier-Stokes Equation，RANSE）。

雷諾平均統(tǒng)計(jì)模式是目前工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的湍流模擬方法。雷諾平均方程中會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)值的相關(guān)項(xiàng)—雷諾應(yīng)力項(xiàng)，它包含了湍流的所有信息，且使方程組不封閉。依據(jù)湍流的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或直接數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)雷諾應(yīng)力做出各種假設(shè)，從而使湍流的平均雷諾方程封閉。不同的雷諾應(yīng)力建模方法得到了不同的湍流模型，構(gòu)成了湍流模式理論。需要注意的是，目前并沒(méi)有一種適用于所有流動(dòng)特征/狀態(tài)的普適性湍流模型。因此，合適的湍流模擬方法是CFD計(jì)算中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

·界面模擬及模型

包含相際界面的流動(dòng)也是船舶水動(dòng)力學(xué)研究中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，如自由面流動(dòng)、空泡流動(dòng)等等。關(guān)于界面的處理方法有多種，總體上看可以分為兩類：界面追蹤法和界面捕捉法。早期的界面數(shù)值模擬方法有PIC（Particle In Cell）方法、FLIC（Fluid In Cell）方法和MAC（Marker And Cell）方法等。二十世紀(jì)八十年代之后，界面的數(shù)值模擬方法又有了新的進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出了VOF（Volume of Fluids）方法、波前追蹤方法（Front Tracking Method）、Level-Set方法以及Phase-Field方法等。目前船舶水動(dòng)力學(xué)研究中，VOF方法和Level-Set方法應(yīng)用較多。

·網(wǎng)格或空間離散技術(shù)

在數(shù)值求解控制方程時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)只能處理離散數(shù)據(jù)，所以不得不把物理量離散地定義在適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格點(diǎn)上，而把通常的微分方程用這些離散點(diǎn)上的函數(shù)值來(lái)表示，即數(shù)值離散，微分或積分方程經(jīng)離散后得到的是一般的線性方程組。因此，適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格點(diǎn)對(duì)于CFD模擬/計(jì)算至關(guān)重要。

CFD模擬/計(jì)算中，如何獲取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格點(diǎn)，實(shí)質(zhì)是對(duì)計(jì)算域空間科學(xué)、合理的離散化，也就是將求解區(qū)域劃分成有限數(shù)量的、相互毗鄰的控制體—計(jì)算網(wǎng)格單元，使其能夠準(zhǔn)確地表達(dá)或捕捉所關(guān)心的流動(dòng)狀態(tài)和特征。計(jì)算網(wǎng)格是決定CFD模擬/計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵之一，其類型主要包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合型網(wǎng)格。

由于在特定問(wèn)題處理方面的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，船舶水動(dòng)力學(xué)界在無(wú)網(wǎng)格法（或粒子法）方面也開(kāi)展了不少研究，以SPH（Smooth Particle Hydrodynamics）、MPS（Moving Particle Semi-implicit）等為代表的方法也在不斷發(fā)展，但目前離廣泛的工程實(shí)用尚有差距。

·算法和離散格式

以計(jì)算網(wǎng)格為基礎(chǔ)，就可以進(jìn)行控制方程的離散?？刂品匠痰碾x散方法有很多種，其中應(yīng)用較廣泛、也是最為重要的三種是：有限差分法（Finite Difference Method，F(xiàn)DM），有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）和有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）。其中有限體積法是最容易理解和編程實(shí)現(xiàn)的，所有需要近似的項(xiàng)都有明確的物理意義，因而在工程技術(shù)界很受歡迎并廣泛應(yīng)用。

控制方程的離散過(guò)程中，離散格式也有很多種，包括各種顯式格式、隱式格式、一階精度、二階精度乃至更高階精度的離散格式等。離散得到的方程通常是非線性的耦合方程（一般是速度和壓力場(chǎng)耦合），需要線性化處理和耦合求解。目前常用的速度和壓力場(chǎng)耦合求解方法主要包括SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations）、SIMPLEC（SIMPLE-Consistent）、PISO（Pressure-Implicit with Splitting of Operators）、人工可壓縮方法和完全耦合計(jì)算等。

同樣，各種算法和離散格式通常都是對(duì)于一類問(wèn)題有特定的優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)算法和差分格式的研發(fā)也是CFD計(jì)算研究的重要組成部分。

·不確定度分析

盡管CFD模擬技術(shù)在諸多領(lǐng)域科研、工業(yè)、工程領(lǐng)域取得了很大成功，但關(guān)于CFD模擬結(jié)果是否可信的爭(zhēng)論事實(shí)上一直存在。因此，盡管CFD模擬技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但CFD模擬結(jié)果的可靠性（或不確定度分析），已經(jīng)成為阻礙其技術(shù)進(jìn)步和推廣應(yīng)用的“絆腳石”，因此受到了廣泛重視。

由于CFD模擬與流體力學(xué)的復(fù)雜現(xiàn)象、數(shù)理模型的準(zhǔn)確度、數(shù)值模型的準(zhǔn)確度、網(wǎng)格的影響等諸多因素都有關(guān)系，因此進(jìn)行CFD不確定度分析并非易事。近幾屆ITTC（International Towing Tank Conference）都高度關(guān)注CFD不確定度分析，提出了船舶CFD驗(yàn)證和確認(rèn)的推薦規(guī)程并進(jìn)行持續(xù)修訂。盡管如此，由于CFD不確定度分析中實(shí)際操作上的困難，以及相關(guān)指南和規(guī)程僅適合比較簡(jiǎn)單的對(duì)象和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在實(shí)際應(yīng)用上還很難普及。因此，不確定度分析也是CFD技術(shù)研發(fā)中的重要關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 數(shù)值水池研發(fā)中的主要關(guān)鍵技術(shù)

作為向用戶提供虛擬試驗(yàn)服務(wù)的應(yīng)用型技術(shù)，數(shù)值水池的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：專家知識(shí)的提煉/封裝、虛擬試驗(yàn)功能模塊建模、復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)/平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)建、試驗(yàn)環(huán)境/過(guò)程/結(jié)果的虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算應(yīng)用、可信度評(píng)估/大子樣應(yīng)用驗(yàn)證等。以下就主要的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行初步分析。

·專家知識(shí)的提煉/封裝

數(shù)值水池定位于“批量生產(chǎn)線”式的應(yīng)用，其面向的對(duì)象是船舶設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)相關(guān)工程技術(shù)人員，強(qiáng)調(diào)工程實(shí)用的可靠性。因此，數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)的流程應(yīng)是盡量固化的且簡(jiǎn)單、易操作，這就需要進(jìn)行專家知識(shí)的提煉與封裝。

所謂專家知識(shí)，指的是那些理論基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的科技人員（專家），對(duì)于某類特定的流動(dòng)問(wèn)題的理解較為深刻，對(duì)所使用的數(shù)值計(jì)算軟件或程序的了解程度較高，在具體的算法、差分格式等方面也有較為深入的研究，同時(shí)在長(zhǎng)期的研究實(shí)踐中也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，因而在幾何建模、網(wǎng)格生成、計(jì)算模型與差分格式選取、計(jì)算參數(shù)設(shè)置乃至計(jì)算結(jié)果處理等各方面，都有著獨(dú)到的、相對(duì)固定的方法或體系。虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的“知識(shí)封裝”，封裝的就是這些方法或體系。

由于船舶水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算中，影響結(jié)果的因素較多，且有些因素的影響還是交叉耦合的。這就意味著“專家知識(shí)”顯得比較“雜亂”，需要在大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行梳理、凝練，研究最優(yōu)計(jì)算條件組合。同時(shí)，梳理、凝練得到的專家知識(shí)，相當(dāng)一部分是感性或定性的，需要進(jìn)行量化處理，表達(dá)成計(jì)算機(jī)程序代碼執(zhí)行。

·虛擬試驗(yàn)功能模塊建模

物理水池能夠開(kāi)展諸如船舶快速性、耐波性、操縱性等多種試驗(yàn)，不同種類的物理水池模型試驗(yàn)，其試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)設(shè)施、試驗(yàn)流程、測(cè)試儀器儀表、測(cè)試方法、測(cè)試數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理等各方面、各環(huán)節(jié)都可能存在差異，而且有時(shí)候差異還很大；即使是同一種模型試驗(yàn)，可能還包括不同分類別的試驗(yàn)，如船舶快速性模型試驗(yàn)就包括船模阻力、螺旋槳敞水和船模自航試驗(yàn)，船模操縱性模型試驗(yàn)還能分為拘束模試驗(yàn)和自航模試驗(yàn)。

同樣，數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)物理水池的功能，也必然存在類似的問(wèn)題。對(duì)于不同種類的虛擬試驗(yàn)，其核心求解器、建模與網(wǎng)格劃分方法、輸入?yún)?shù)、求解設(shè)置、虛擬試驗(yàn)流程、結(jié)果的處理等各方面和各環(huán)節(jié)也會(huì)存在很大的差異，所封裝的專家知識(shí)也會(huì)存在很大差異，這就給數(shù)值水池各功能模塊的建模帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

因此，要實(shí)現(xiàn)數(shù)值水池各種功能的虛擬試驗(yàn)，其功能模塊的建模是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。

·復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)/平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

數(shù)值水池是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，存在計(jì)算量大、使用的軟硬件資源分散繁多、過(guò)程操作繁瑣等問(wèn)題。所以需要一套集成系統(tǒng)，為知識(shí)的提煉和封裝、虛擬試驗(yàn)的云計(jì)算服務(wù)、試驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)高效展現(xiàn)提供一個(gè)統(tǒng)一的操作運(yùn)行環(huán)境。為此，需要對(duì)復(fù)雜的軟硬件系統(tǒng)/平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與構(gòu)建。

·試驗(yàn)對(duì)象/環(huán)境/過(guò)程/結(jié)果的虛擬展現(xiàn)

數(shù)值水池要比擬物理水池開(kāi)展模型試驗(yàn)，必須借助虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化技術(shù)，將試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果生動(dòng)、準(zhǔn)確、逼真地展現(xiàn)出來(lái)，使得用戶能體驗(yàn)身臨其境的感覺(jué)。

試驗(yàn)對(duì)象的虛擬展現(xiàn)主要是指試驗(yàn)對(duì)象的虛擬重建，包括船體、附體、螺旋槳等試驗(yàn)對(duì)象的高精度虛擬重建。試驗(yàn)環(huán)境的虛擬展現(xiàn)主要是指物理水池的虛擬重建，如拖曳水池、波浪水池等試驗(yàn)環(huán)境的高逼真度虛擬重建。試驗(yàn)過(guò)程的虛擬展現(xiàn)主要是將采集到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、渲染，同時(shí)加入實(shí)時(shí)環(huán)境光照效果，并與虛擬重建的試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行合成，生動(dòng)、逼真地展現(xiàn)流場(chǎng)的生成和演化過(guò)程，且展現(xiàn)內(nèi)容因試驗(yàn)類型不同而有所差異。試驗(yàn)結(jié)果的虛擬展現(xiàn)主要是解析、讀取試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，提取壓力、速度等物理量的數(shù)據(jù)信息，計(jì)算阻力、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等水動(dòng)力參數(shù)，通過(guò)定制可視化模板，在可視化引擎中精確地展現(xiàn)出來(lái)，展現(xiàn)內(nèi)容同樣因試驗(yàn)類型不同而有所差異。

·網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算應(yīng)用

數(shù)值水池作為應(yīng)用型技術(shù)，面向的使用對(duì)象是廣大工程技術(shù)人員，所以具備應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)是對(duì)數(shù)值水池最基本的要求。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)值水池服務(wù)平臺(tái)提供了新的應(yīng)用模式。這種模型解決了數(shù)值水池所面臨的資源管理、知識(shí)共享和平臺(tái)運(yùn)維方面的問(wèn)題。

通過(guò)服務(wù)平臺(tái)，對(duì)資源進(jìn)行按需動(dòng)態(tài)分配和調(diào)整，使得其具備良好的伸縮性，能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)和滿足用戶對(duì)軟硬件計(jì)算資源的需求；提供應(yīng)用、知識(shí)共享和交流的基礎(chǔ)環(huán)境，用戶能夠在任何時(shí)間、地點(diǎn)，最大限度地使用平臺(tái)處理進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，使平臺(tái)中的方法和體系在應(yīng)用中不斷進(jìn)行積累和改進(jìn)；實(shí)現(xiàn)服務(wù)平臺(tái)資源的虛擬化，平臺(tái)軟硬件資源的調(diào)度、管理、維護(hù)等工作由專門的人員負(fù)責(zé)，用戶不必關(guān)心內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)而享用按需計(jì)算服務(wù)。

·可信度評(píng)估/大子樣應(yīng)用驗(yàn)證

虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可信度，是數(shù)值水池實(shí)用性的關(guān)鍵。為了確保虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可信度，數(shù)值水池必須經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證。

對(duì)于CFD計(jì)算/模擬而言，通過(guò)不確定度分析結(jié)合基準(zhǔn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)驗(yàn)證，一般即可認(rèn)為CFD計(jì)算/模擬方法是成功的。對(duì)于數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)而言，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因?yàn)閿?shù)值水池強(qiáng)調(diào)對(duì)于一類問(wèn)題開(kāi)展虛擬試驗(yàn)的工程實(shí)用可靠性，而基準(zhǔn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)的樣本很少 （一般只能是少數(shù)甚至個(gè)別樣本），顯然難以確保虛擬試驗(yàn)方法在一類問(wèn)題上的工程實(shí)用可靠性，因而還要結(jié)合大量常規(guī)的模型試驗(yàn)驗(yàn)證，來(lái)確保數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)方法的可靠性和結(jié)果的可信度。

因此，通過(guò)多層次（基準(zhǔn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)數(shù)據(jù)和常規(guī)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)）、大子樣（常規(guī)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)）的應(yīng)用驗(yàn)證，才能保證數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)方法的工程實(shí)用可靠性和虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可信度，方能使數(shù)值水池具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。

圖1給出了CFD和數(shù)值水池研發(fā)的兩大“關(guān)鍵技術(shù)族”。

圖1 CFD和數(shù)值水池研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)族Fig.1 Families of key issues in the development of CFD and numerical tank

4 船模阻力虛擬測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)例分析

數(shù)值水池整體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，是一項(xiàng)宏大的工程；數(shù)值水池是伴隨著CFD應(yīng)用技術(shù)和能力的不斷發(fā)展，是在各個(gè)虛擬試驗(yàn)項(xiàng)目上逐步“發(fā)展/驗(yàn)證/應(yīng)用/拓展/完善”的過(guò)程。數(shù)值水池的不同發(fā)展階段和不同虛擬試驗(yàn)項(xiàng)目，其所要解決關(guān)鍵技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)也是不同的。

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心依托國(guó)家和省部級(jí)相關(guān)科研項(xiàng)目，對(duì)一些條件成熟的虛擬試驗(yàn)項(xiàng)目加以封裝，創(chuàng)建了船舶快速性虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)，并通過(guò)系統(tǒng)性的驗(yàn)證，逐步形成數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)服務(wù)能力。下面以船舶快速性虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)中的船模阻力虛擬測(cè)量系統(tǒng)為例，介紹其開(kāi)發(fā)過(guò)程中的部分主要關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑。

4.1 專家知識(shí)的提煉/封裝

船模阻力虛擬測(cè)量/試驗(yàn)中，影響虛擬試驗(yàn)結(jié)果的因素很多，而且有些因素的影響還是交叉耦合的，因而需要在大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行梳理、凝煉，研究最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合。這里的“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件”，指的是在此條件下，虛擬試驗(yàn)結(jié)果與基準(zhǔn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)結(jié)果最為接近。

首先，需要對(duì)虛擬試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行解析，分析可能影響虛擬試驗(yàn)結(jié)果的各種因素。在船模阻力虛擬試驗(yàn)中，影響試驗(yàn)結(jié)果的因素可能來(lái)自于這幾個(gè)環(huán)節(jié)：真實(shí)流動(dòng)問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模、控制方程與計(jì)算域的離散化、方程求解的編程實(shí)現(xiàn)、求解結(jié)果的后處理等。

以上分析得到的影響因素?cái)?shù)量眾多，達(dá)二十余個(gè)，且有些因素的影響還是交叉耦合的。要在如此之多的因素之中尋找到“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件”，其難度無(wú)疑非常大。此時(shí)，要發(fā)揮專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的作用，將不可控因素、影響程度足夠小且與其他因素之間不存在交叉耦合影響的因素剔除，僅留下必要的、數(shù)量明顯減少的因素開(kāi)展研究。

如影響因素仍然較多，同時(shí)還需要考慮一些因素之間的交互作用，使得研究難度仍然較大。此時(shí)，可以根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的局部控制原則，并結(jié)合專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)研究、分析，將其中與其他因素之間耦合作用較弱的因素分離出來(lái)單獨(dú)處理。通過(guò)對(duì)這些非/弱耦合因素的影響研究，可以獲得其影響大小和規(guī)律，同時(shí)可獲得較優(yōu)的參數(shù)設(shè)置，將之固化，從而保證試驗(yàn)條件的一致性。

此時(shí)，剩下的影響因素?cái)?shù)量應(yīng)該是比較少了（≤5個(gè)），可以通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法，研究這些因素的影響及交互作用。選定影響因素后，要結(jié)合專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，分析并確定每個(gè)因素的水平，并對(duì)因素之間的交互作用進(jìn)行初步分析；基于分析結(jié)果，選擇合適的正交表并進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)，形成試驗(yàn)方案，進(jìn)而開(kāi)展虛擬試驗(yàn)。

根據(jù)虛擬試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)方差分析等方法，可以獲得各因素及因素之間交互作用的影響；進(jìn)而可以通過(guò)效應(yīng)分析等方法，結(jié)合基準(zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推算最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合。專家知識(shí)的提煉，就是研究獲得“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合”的過(guò)程（如圖2所示）。

圖2 專家知識(shí)的提煉過(guò)程Fig.2 Extraction process of experts’knowledge

以上研究、凝練得到的專家知識(shí)，有一部分是感性或定性的，需要定量化處理。此時(shí)，要根據(jù)屬性細(xì)分的原則，針對(duì)屬性細(xì)分后的專家知識(shí)，進(jìn)行定量化處理，表達(dá)成計(jì)算機(jī)程序代碼執(zhí)行。通過(guò)以上處理，從而實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)中的知識(shí)封裝。

在船模阻力虛擬試驗(yàn)中，結(jié)合專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)系統(tǒng)性的分析，將研究的重點(diǎn)放在計(jì)算域空間的離散、時(shí)間的離散、自由面處理和湍流模型等方面。首先，通過(guò)對(duì)非/弱耦合因素影響的研究，確定了網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、計(jì)算區(qū)域范圍、時(shí)間離散格式和自由面重構(gòu)方法等；對(duì)于網(wǎng)格數(shù)量、近壁面第一層網(wǎng)格高度y+、湍流模型和控制方程對(duì)流項(xiàng)差分格式，則通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究這些因素的影響及交互作用。選定試驗(yàn)因素，并根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)分析、確定試驗(yàn)水平后，就可以列出因素水平表（表2）。

表2 試驗(yàn)因素水平表Tab.2 Table of factors’level

確定了試驗(yàn)因素及其水平后，根據(jù)因素、水平以及是否需要考察交互作用來(lái)選擇合適的正交表，并進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)。這里的船模阻力虛擬試驗(yàn)研究為四因素三水平試驗(yàn)，同時(shí)還要考察A、B、C三個(gè)因素之間的交互作用，而對(duì)于因素D與其他三個(gè)因素之間的交互作用不作為考察重點(diǎn)。由此，表頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表3，其中10、12、13列為空白列（誤差列）。在表頭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將所選正交表中各列（不包含欲考察的交互作用列）的不同水平數(shù)字換成對(duì)應(yīng)各因素相應(yīng)水平值，便形成了試驗(yàn)方案（由于篇幅所限，此處不再給出，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3]）。

表3 虛擬試驗(yàn)方案表頭設(shè)計(jì)Tab.3 Label design for the virtual test plan

基于以上設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，針對(duì)CFD國(guó)際標(biāo)模DTMB5415，開(kāi)展了船模阻力數(shù)值水池試驗(yàn)（船模速度VM=2.096 m/s，F(xiàn)r=0.28）。限于篇幅，這里僅給出虛擬試驗(yàn)結(jié)果的方差分析（表4）。

表4 虛擬試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Tab.4 Variance analysis of the virtual test results

通過(guò)對(duì)DTMB5415船模阻力虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析，可以發(fā)現(xiàn)：因素B（y+）、B×C（y+與湍流模型的交互作用）以及因素C（湍流模型）對(duì)船模阻力數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果有高度顯著的影響；因素A（網(wǎng)格數(shù)量）對(duì)船模阻力數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果也有高度顯著的影響，但影響程度與前述3個(gè)因素相比小一個(gè)量級(jí)；因素D（差分格式）對(duì)船模阻力數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果有一定影響。

根據(jù)船模阻力虛擬試驗(yàn)結(jié)果的極差分析或正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的效應(yīng)分析方法，都可以獲得“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合”—A2B2C1D3（50萬(wàn)網(wǎng)格、y+=60、RNG k-ε模型、MUSCL差分格式），其中因素D（控制方程對(duì)流項(xiàng)差分格式）對(duì)虛擬試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，雖然D3（MUSCL）的偏差較其它兩種更小一些，但改善程度非常有限，因此在實(shí)踐中亦可選擇其他兩種差分格式。

通過(guò)以上專家知識(shí)提煉獲得的“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合”，固化后通過(guò)屬性細(xì)分后的知識(shí)封裝，用于船模阻力虛擬測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

4.2 可信度評(píng)估/大子樣應(yīng)用驗(yàn)證

虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可信度，是數(shù)值水池實(shí)用性的關(guān)鍵。要確保虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可信度，必須通過(guò)三重驗(yàn)證：

首先是虛擬試驗(yàn)結(jié)果本身要進(jìn)行不確定度分析，虛擬試驗(yàn)結(jié)果的不確定度必須能夠滿足（至少基本滿足）工程實(shí)用的要求；

其次是“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合”下的虛擬試驗(yàn)結(jié)果（最優(yōu)解），應(yīng)該落在物理水池標(biāo)?；鶞?zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果、不確定度和要求的置信度水平確定的置信區(qū)間范圍內(nèi)，也就是虛擬試驗(yàn)結(jié)果（最優(yōu)解）要得到確認(rèn)；

數(shù)值水池僅僅通過(guò)有限數(shù)量和種類的標(biāo)模基準(zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，或還會(huì)影響工業(yè)界的接受程度，因而最后還需要針對(duì)不同的數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)大子樣的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供更廣泛的應(yīng)用驗(yàn)證。

以上面的CFD國(guó)際標(biāo)模DTMB5415船模阻力虛擬試驗(yàn)為例，根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]中介紹的不確定度分析方法，得到的虛擬試驗(yàn)的各類標(biāo)準(zhǔn)不確定度、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度列于表5中。

由表5可以看出：船模阻力數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)中，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度相對(duì)于虛擬試驗(yàn)平均值為0.72%，擴(kuò)展不確定度不到1.5%；這一不確定度基本能夠滿足工程實(shí)用的要求。需要說(shuō)明的是，這里的不確定度是在剔除湍流模型的影響后得到的；如未剔除湍流模型的影響，則合成不確定度約為4.4%，擴(kuò)展不確定度達(dá)到8.8%，顯然難以滿足工程實(shí)用的要求。

表5 船模阻力虛擬試驗(yàn)不確定度分析結(jié)果Tab.5 Results of uncertainty analysis for the ship model resistance virtual test

利用效應(yīng)估算公式，“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合”下的船模阻力虛擬試驗(yàn)結(jié)果的理論估計(jì)值為：

由標(biāo)?；鶞?zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)不確定度分析可知，船模阻力試驗(yàn)結(jié)果的不確定度平均值若置信度水平要求為95%，則置信區(qū)間為：

而“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合”下的船模阻力虛擬試驗(yàn)結(jié)果為43.477 N，落在以上區(qū)間范圍內(nèi)。即該船模虛擬試驗(yàn)結(jié)果（最優(yōu)解）估計(jì)值與物理模型試驗(yàn)結(jié)果之差，將以95%的可能性落在區(qū)間范圍內(nèi)，因此該虛擬試驗(yàn)結(jié)果得到了確認(rèn)。

基于“最優(yōu)虛擬試驗(yàn)條件組合”開(kāi)發(fā)的船模阻力虛擬測(cè)量系統(tǒng)，目前已進(jìn)行了大量的應(yīng)用驗(yàn)證。表6和圖3給出了一段時(shí)間以來(lái)，對(duì)40余艘船模共332個(gè)工況虛擬試驗(yàn)結(jié)果與物理水池船模試驗(yàn)結(jié)果之間的偏差分布統(tǒng)計(jì)。

圖3 船模阻力虛擬試驗(yàn)與物理水池試驗(yàn)結(jié)果之間偏差分布Fig.3 Statistic of difference between results from virtual and physical tank test for ship models resistance

表6 船模阻力虛擬試驗(yàn)與物理水池試驗(yàn)結(jié)果之間偏差分布統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistic of difference between results from virtual and physical tank test for ship models resistance

由圖表可以看出：在所統(tǒng)計(jì)的樣本范圍之內(nèi)，除極少數(shù)樣本點(diǎn)外，98%以上的樣本點(diǎn)船模阻力虛擬試驗(yàn)與物理水池試驗(yàn)結(jié)果之間偏差都在4%以內(nèi)，且絕大部分（92%以上）偏差都在3%以內(nèi)；同時(shí)，船模阻力虛擬試驗(yàn)與物理水池試驗(yàn)結(jié)果之間偏差基本服從正態(tài)（高斯）分布，其中μ≈ -0.3，σ≈1.88。由于這里使用的是物理水池常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果，其精度及不確定度與標(biāo)?；鶞?zhǔn)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)數(shù)據(jù)還是存在一定差距，因而，虛擬試驗(yàn)與物理水池試驗(yàn)結(jié)果之間的偏差分布范圍略大一些也是合理的。

通過(guò)以上三重驗(yàn)證，特別是廣泛的大子樣應(yīng)用驗(yàn)證，最大程度地保證了船模阻力虛擬試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

4.3 試驗(yàn)環(huán)境/過(guò)程/結(jié)果的虛擬現(xiàn)實(shí)

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支撐下，數(shù)值水池能夠超越物理水池試驗(yàn)的局限，提供精細(xì)流場(chǎng)的可介入式場(chǎng)景體驗(yàn)。下面介紹船模阻力虛擬試驗(yàn)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的攻關(guān)與初步實(shí)踐。

首先是試驗(yàn)對(duì)象和環(huán)境的虛擬現(xiàn)實(shí)：根據(jù)船模CAD模型，參考實(shí)物船模外觀照片，使用3ds Max軟件建立三維數(shù)字模型，對(duì)模型進(jìn)行貼圖和材質(zhì)處理，使其更加貼近物理船模真實(shí)效果；試驗(yàn)環(huán)境主要基于物理水池的內(nèi)部照片，用3ds Max軟件建立一個(gè)模擬的三維數(shù)字模型，包括主要的場(chǎng)景素材，然后放置于統(tǒng)一的場(chǎng)景中，進(jìn)行位置、大小和角度的調(diào)整。

船模阻力虛擬試驗(yàn)過(guò)程的高逼真度虛擬重現(xiàn)，包括自由面興波、分離流動(dòng)、漩渦等的生成與演化，其基礎(chǔ)是試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)獲取、水表面渲染和三維立體渲染三個(gè)方面。

試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)獲取是為虛擬現(xiàn)實(shí)提供瞬態(tài)的、連續(xù)變化的過(guò)程數(shù)據(jù)，可由CFD求解器實(shí)時(shí)求解獲得，當(dāng)然也可以使用事先保存的數(shù)據(jù)。

水表面渲染采用Screen Space Fluid Rendering算法，通過(guò)繪制粒子球（Point Sprites）以獲取顏色深度，再進(jìn)行模糊處理，然后換算到世界坐標(biāo)系下，提取出水表面。在繪制粒子球時(shí)，在幾何著色器階段展開(kāi)成平面，最后在像素著色器中計(jì)算實(shí)際位置。

三維立體渲染：通過(guò)線光源對(duì)水面進(jìn)行照射，計(jì)算散射光（Diffuse）、反射光（Specular）和環(huán)境光（Ambient），使用Fresnel方法解決在特殊觀察角度下的問(wèn)題；同時(shí)，將整個(gè)外部場(chǎng)景繪制在一個(gè)球體上，并將其顏色投影到立方體的六個(gè)表面（Cube Map），從而可以獲得動(dòng)態(tài)的環(huán)境貼圖，強(qiáng)化了水的立體效果。

圖4 船模阻力虛擬試驗(yàn)中的虛擬現(xiàn)實(shí)Fig.4 Virtual reality in virtual test of ship model resistance

船模阻力試驗(yàn)結(jié)果的展現(xiàn)主要包括：航行興波、船體/附體表面極限流線、壓力分布及其附近流場(chǎng)等。通過(guò)集成可視化軟件EnSight，在其基礎(chǔ)上定制可視化應(yīng)用模板，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并設(shè)置顯示模式，為船模阻力虛擬試驗(yàn)結(jié)果提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的、自動(dòng)化的可視化展現(xiàn)。

在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用DirectX圖形編程技術(shù)和可視化模板定制技術(shù)，將船模阻力虛擬試驗(yàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等可視化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)虛擬試驗(yàn)環(huán)境/過(guò)程/結(jié)果進(jìn)行了情景化展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了虛擬試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，并增加了渲染、環(huán)境光照處理效果等，能夠生動(dòng)、逼真地展現(xiàn)流場(chǎng)的生成和演化過(guò)程，為船舶水動(dòng)力性能研究和設(shè)計(jì)等提供更為直觀、全面的流動(dòng)細(xì)節(jié)，可望激發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想。初步實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)效果如圖4所示。

實(shí)際上，船模阻力虛擬測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，所要解決的關(guān)鍵技術(shù)遠(yuǎn)不止以上介紹的幾項(xiàng)；限于篇幅，本文僅介紹對(duì)虛擬試驗(yàn)?zāi)芰π纬杉疤摂M試驗(yàn)結(jié)果可信度等至關(guān)重要的主要關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心基于長(zhǎng)期對(duì)船舶水動(dòng)力性能數(shù)值水池的研究、攻關(guān)和思考，在“數(shù)值水池路線圖”的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)值水池的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步的分析和闡述，并較為詳細(xì)地介紹了船模阻力虛擬測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的部分主要關(guān)鍵技術(shù)與解決過(guò)程。論文的研究工作，可為數(shù)值水池研發(fā)提供參考和支撐。

毋庸置疑，隨著數(shù)值水池研發(fā)的不斷推進(jìn)和深入，肯定會(huì)有新的需要解決的關(guān)鍵技術(shù)不斷出現(xiàn)。因而，本文的研究工作難免掛一漏萬(wàn)，所分析和闡述的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于數(shù)值水池這一宏大工程研發(fā)而言，肯定僅是冰山一角，還需廣大船舶水動(dòng)力學(xué)科研人員共同努力予以解決。

致謝

本文的完成，首先感謝吳有生院士、沈泓萃研究員的指導(dǎo)和幫助；同時(shí)，與洪方文研究員、張楠高級(jí)工程師、李勝忠高級(jí)工程師、王墨偉高級(jí)工程師、邱耿耀工程師以及其他相關(guān)科研人員的啟發(fā)性交流，對(duì)論文的不斷完善發(fā)揮了重要作用，作者在此對(duì)他們的貢獻(xiàn)表示由衷的感謝！

[1]趙 峰,吳乘勝,黃少鋒,張志榮.數(shù)值水池路線圖[J].船舶力學(xué),2014,18(8):924-932. Zhao Feng,Wu Chengsheng,Huang Shaofeng,Zhang Zhirong.Route map on virtual tank[J].Journal of Ship Mechanics, 2014,18(8):924-932.

[2]沈泓萃,姚震球,吳寶山,張 楠,楊仁友.船舶CFD模擬不確定度分析與評(píng)估新方法研究[J].船舶力學(xué),2010,14(10): 1071-1083. Shen Hongcui,Yao Zhenqiu,Wu Baoshan,Zhang Nan,Yang Renyou.A new method on uncertainty analysis and assessment in ship CFD[J].Journal of Ship Mechanics,2010,14(10):1071-1083.

[3]吳乘勝,邱耿耀,魏 澤,金忠佳.船模阻力數(shù)值水池試驗(yàn)不確定度評(píng)估[J].船舶力學(xué),2015,19(10):. Wu Chengsheng,Qiu Gengyao,Wei Ze,Jin Zhongjia.Uncertainty analysis on numerical computation of ship model resistance[J].Journal of Ship Mechanics,2015,19(10):.

[4]倪 昱,金建海,單俊威.船舶綜合水動(dòng)力分析虛擬試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果可視化關(guān)鍵技術(shù)研究[J].船海工程, 2013,42(2):8-12.

[5]ITTC.Uncertainty analysis in CFD,uncertainty assessment methodology and procedures[K].ITTC Recommended Procedures and Guidelines,Procedure 7.5-03-01-01,Revision 02,2008.

[6]李勝忠,李 斌,趙 峰,李力楓.VIRTUE計(jì)劃研究進(jìn)展綜述[J].船舶力學(xué),2009,13(4):662-675. LI Shengzhong,Li Bin,Zhao Feng,Li Lifeng.An overview on the progress of VIRTUE project[J].Journal of Ship Mechanics,2009,13(4):662-675.

[7]Larsson Lars,Stern Frederick,Visonneau Michel.Numerical Ship Hydrodynamics-An assessment of the Gothenburg 2010 Workshop[M].Springer,2014.

[8]吳乘勝.基于RANS方程的數(shù)值波浪水池研發(fā)及其應(yīng)用研究[D].無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心,2009.

Preliminary analysis of key issues in the development of numerical tank

ZHAO Feng,WU Cheng-sheng,ZHANG Zhi-rong,JIN Jian-hai
(National Key Laboratory of Hydrodynamic,China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

The technical content and characteristics of numerical tank are introduced briefly.The differences between numerical tank and CFD in several aspects are analyzed,the two families of key issues in research and development of CFD and numerical tank are presented and discussed in detail.As an example, some of the major key issues in the development of virtual test system for ship model resistance are introduced in detail finally.

numerical tank;CFD;key issues

U661.3

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.10.005

1007-7294（2015）10-1209-12

2015-08-21

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃“船舶虛擬水池試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估技術(shù)研究”；高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目“數(shù)值水池頂層研究”（A0820133023）

趙 峰（1964-），男，博士，研究員，E-mail:zhaofeng@cssrc.com.cn；

吳乘勝（1976-），男，博士，高級(jí)工程師。