CN113361018A - 一种对标物理水池模型试验的船舶阻力虚拟试验平台 - Google Patents

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CN113361018A CN202110753334.6A CN202110753334A CN113361018A CN 113361018 A CN113361018 A CN 113361018A CN 202110753334 A CN202110753334 A CN 202110753334A CN 113361018 A CN113361018 A CN 113361018A
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Abstract

本发明公开了一种对标物理水池模型试验的船舶阻力虚拟试验平台，涉及船舶虚拟仿真技术领域，平台包括工作流程依次串联的七个执行模块，分别为虚拟试验工程模块、实船主尺度信息输入模块、虚拟试验方案设计模块、数值船模加工车间模块、虚拟试验及过程监控模块、虚拟试验数据处理及报告自动生成模块、虚拟试验可视化情景再现模块，执行模块依据知识封装原则使用户无需掌握数值预报方面的任何专业知识即可开展船舶阻力虚拟试验，最大程度地降低了用户的使用门槛，缩短了船舶性能的评估周期，提高了船舶的设计效率。

Description

一种对标物理水池模型试验的船舶阻力虚拟试验平台
技术领域
本发明涉及船舶虚拟仿真技术领域，尤其是一种对标物理水池模型试验的船舶阻力虚拟试验平台。
背景技术
随着CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)数值仿真技术的不断发展，越来越多的商用软件被开发用来解决船舶水动力性能的计算问题，比如Fluent、Star-CCM以及Shipflow等船舶CFD数值计算软件，在船舶设计初期，承担了大量的船舶水动力性能的预报工作，为船舶设计提供了巨大的技术支撑。然而上述CFD数值计算软件本身的使用过程十分复杂，非专业人员需要花费大量的时间和精力对其进行系统地培训和操练；另外软件的计算精度往往会受到不同用户专业熟练程度的影响，同一个计算方案不同用户来操作可能出现不同的计算结果；与此同时，用户在开展数值计算前，需对具体的计算对象的网格进行处理和划分，获得质量要求满足相应CFD数值计算软件准入要求的网格形式，这就要求用户在网格划分能力上具备较高的专业水准；另一方面，一般的商用软件无法直接获取阻力试验结果及其流场图片等信息，用户需对软件计算获得的原始数据进行专业化的处理才能撰写阻力性能计算报告，根据统计信息可知，一个完整的CFD数值计算案例，用户花费在前处理网格划分以及后处理结果换算、报告编写上的时间占据了整个数值计算人工操作时间的80％以上。
由此可见，商用CFD软件本身的使用门槛较高，计算过程中的网格划分、参数配置、结果处理、可视化效果以及报告编写等需要花费较多的时间成本，另外商用软件与船舶设计本身的融合度较低，需要具备CFD技能的专业人员才能完成整个CFD的数值计算工作。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种对标物理水池模型试验的船舶阻力虚拟试验平台，在基于RANS方程的粘流求解器的基础上通过对标物理水池模型试验流程，依据“知识封装”的原则，开发出了船舶阻力虚拟试验平台，实现了整个船舶阻力性能数值计算的网格一键划分、虚拟试验方案一键配置、虚拟试验过程及结果的可视化操作以及虚拟试验报告一键生成等功能，大幅缩短了船舶阻力性能的预报周期，降低用户的使用门槛，进一步提高船舶设计效率。
本发明的技术方案如下：
一种对标物理水池模型试验的船舶阻力虚拟试验平台，船舶阻力虚拟试验平台的工作流程按照物理水池模型试验的工作流程执行，包括七个执行模块：
虚拟试验工程模块，用于新建或载入虚拟试验工程；
实船主尺度信息输入模块，用于输入目标实船的主尺度参数，主尺度参数包括垂线间长和方形系数；
虚拟试验方案设计模块，用于根据试验要求制定虚拟试验方案，生成虚拟试验对象模型；
数值船模加工车间模块，用于对虚拟试验对象模型进行船体结构化网格的自动生成；
虚拟试验及过程监控模块，调用数值计算参数资源利用基于RANS方程的基础求解器执行阻力性能粘流数值计算，同时对虚拟试验过程中的物理量进行可视化监控并展示；
虚拟试验数据处理及报告自动生成模块，对虚拟试验结果进行数据自动处理，输出虚拟试验对象模型和目标实船的阻力性能数值，并自动整理出虚拟试验报告；
虚拟试验可视化情景再现模块，基于VR可视化技术重现整个虚拟试验过程场景及其三维流场全景透视；
七个执行模块的工作流程依次串联，执行模块依据知识封装原则开展船舶阻力虚拟试验。
其进一步的技术方案为，虚拟试验工程模块、实船主尺度信息输入模块和虚拟试验方案设计模块对标物理水池模型试验的试验模型准备工作流程，包括明确试验对象、制定试验方案；
根据试验要求制定虚拟试验方案，包括：
在虚拟试验方案设计模块中输入模型缩尺比、试验水温、设计航速以及航速段范围，航速段范围的添加格式为VSmin-VSmax-ΔVS，其中VSmin表示最小航速，VSmax表示最大航速，ΔVS表示航速间隔；
依据模块的知识封装自动计算虚拟试验对象模型的雷诺数，表达式为：
Figure BDA0003146083610000031
其中，Re为雷诺数，Vs为设计航速，Lpp为垂线间长，ν为试验水温下的试验流体的运动粘性系数；
根据雷诺数判断输入的模型缩尺比是否小于等于最大阈值，若不满足条件则平台自动弹出模型缩尺比的最大阈值，模型缩尺比应满足以下公式计算值：
Figure BDA0003146083610000032
其中，λ为模型缩尺比。
其进一步的技术方案为，数值船模加工车间模块对标物理水池模型试验的试验模型准备工作流程中的加工木质船模；
对虚拟试验对象模型进行船体结构化网格的自动生成，包括：
数值船模加工车间模块中封装有几何标准化和计算网格自动生成两种知识模块；
在几何标准化中，载入船体曲面IGS文件，对文件中的船体轮廓线进行编号处理，船体轮廓线为描述船体曲面外部形状的边界线，包括甲板线、艏柱线、船底龙骨线以及构成船尾尾封板的四条轮廓线；
在计算网格自动生成中，设置七条船体轮廓线的网格点数和网格疏密度，设置第一层网格与船体壁面的法向距离、船体网格外拓生长率和外拓步数，将边界条件和设置信息输入至船体网格求解器输出贴体网格及边界条件信息文件，将贴体网格及边界条件信息文件与背景网格进行合并，获得满足计算要求的船体结构化网格。
其进一步的技术方案为，虚拟试验及过程监控模块对标物理水池模型试验的开展水池模型试验的工作流程，包括进行阻力试验、采集原始试验数据和影像资料；
虚拟试验及过程监控模块中封装有配置数值计算参数资源知识模块，包括设置湍流模型、自由液面捕捉方式、流动和控制参数、时间差分格式、压力求解方法、运动求解方法、网格运动差分精度、运动自由度及其运动阻尼值；
虚拟试验对象模型的运动采用自由模的形式，运动自由度包括船舶的纵倾和升沉运动，获得虚拟试验对象模型在不同航速下的纵倾角和升沉值；湍流模型采用SSTk-ω，自由液面捕捉方式采用Level-Set法，每个CPU核数自动分配计算单元、单块网格量不大于8万，采用2阶时间差分格式，泊松方程的压力项系数值为0.7，线性运动阻尼为50，运动求解方式采用8点滤波显示求解，网格运动差分采用一阶精度。
其进一步的技术方案为，对虚拟试验过程中的物理量进行可视化监控并展示，包括：
在虚拟试验过程中，虚拟试验及过程监控模块调用后台图形处理软件在平台界面的显示框中实时查看当前计算步的虚拟试验的计算结果，包括残差信息、阻力时程曲线、升沉/纵倾时程曲线、不同航速下的自由面波形图、螺旋桨盘面流场分布图以及船底压力沿着纵向的分布情况，残差信息包括压力残差和速度残差。
其进一步的技术方案为，虚拟试验数据处理及报告自动生成模块、虚拟试验可视化情景再现模块对标物理水池模型试验的数据处理、编制试验报告及生成影像资料的工作流程；
虚拟试验对象模型的阻力性能数值包括所有航速下的总阻力和阻力成分系数、纵倾值和升沉值，通过二因次法准则进行虚拟试验对象模型与目标实船之间的阻力性能换算，预报目标实船的有效功率。
其进一步的技术方案为，设置七条船体轮廓线的网格点数和网格疏密度，包括：
甲板线和船底龙骨线的网格点数按照公式N1/3＝300*CB设置，其中CB为方形系数，船尾尾封板的四条轮廓线的网格点数设为定值N4/5/6/7＝60，艏柱线的网格点数设为定值N2＝120；
对甲板线和船底龙骨线的首尾两端的网格点进行加密处理的方法相同，包括：在甲板线上，设分别与甲板线首端和尾端位置最近的一点为第一网格点，甲板线首端和尾端与相应的第一网格点的距离为3×10-3，其余网格点则按照从两端的第一网格点向中心网格点的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置；
对艏柱线和与其相对平行的船尾尾封板的两条轮廓线在水线附近的网格点进行加密处理的方法相同，包括：在艏柱线上，设与水线位置最近的对称两点为第二网格点，水线与第二网格点的距离为1×10-3，其余网格点则按照从水线分别向艏柱线两端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置；
船尾尾封板的其余两条轮廓线的网格点均匀布置。
其进一步的技术方案为，设置第一层网格与船体壁面的法向距离，包括：
法向距离的表达式为：y＝8.721×y+×Re-0.9286
其中，Re为雷诺数，y+与航速段范围有关，取值范围为[35,120]，且最低航速对应35，最高航速对应120，若最高航速的y+值大于120，则平台自动提示速度范围太大，不满足设计要求。
其进一步的技术方案为，长度方向的网格点数设为定值180，宽度方向的网格点数设为定值60，高度方向的网格点数设为定值80；
在背景网格的长边上，设与长边第一端位置最近的一点为第三网格点，与长边第二端位置最近的一点为第四网格点，长边第一端与第三网格点的距离为7×10-2，长边第二端与第四网格点的距离为1×10-1，其余网格点则按照从第三网格点向第四网格点的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置；
在背景网格的宽边上，设与宽边第一端位置最近的一点为第五网格点，宽边第一端与长边第一端相交，宽边第一端与第三网格点的距离为1×10-2，其余网格点则按照从宽边第一端向宽边第二端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置；
在背景网格的高线上，设与水线位置最近的对称两点为第六网格点，水线与第六网格点的距离为1×10-3，其余网格点则按照从水线分别向高线两端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置。
其进一步的技术方案为，边界条件包括船体壁面为无滑移边界、船中纵剖面为对称面、外拓网格的30层为重叠网格信息交换面。
与传统的CFD数值计算软件相比，本发明的有益技术效果是：
传统的CFD数值计算软件完成一条船模的计算至少要花费一周的时间，并且必须经过专业的、系统性的培训才可以很好的胜任该工作，而本申请提供的虚拟试验平台在执行流程上与物理水池模型试验完全一致，同时平台本身将以往CFD数值预报涉及到的大量人工操作工作以“知识封装”的原则封装入虚拟试验平台中，用户只需执行虚拟试验对象基本信息的输入以及制定虚拟试验方案，即可开展船舶阻力性能虚拟试验，并能够对试验的过程进行实时监控，试验结束后可以直接获取虚拟试验结果，并实现试验报告的自动生成，大大缩短了虚拟试验的预报周期、大幅降低了虚拟试验的使用门槛，最大程度地降低了用户的人工操作难度以及因人因事引起的预报差异，该虚拟试验平台的开发进一步提高了船舶设计人员的工作效率，打造一个线上版的船模试验水池，为船舶水动力性能评估、船型开发设计提供重要的技术支撑。
附图说明
图1是物理水池模型试验的主要工作流程图。
图2是本申请提供的船舶阻力虚拟试验平台的工作流程图。
图3是本申请提供的船舶阻力虚拟试验平台的功能界面。
图4是本申请提供的虚拟试验工程模块的界面图。
图5是本申请提供的实船主尺度信息输入模块的界面图。
图6是本申请提供的虚拟试验方案设计模块的界面图。
图7是本申请提供的推荐模型缩尺比的信息框图。
图8是本申请提供的数值船模加工车间模块的界面图。
图9是本申请提供的几何标准化的界面图。
图10是本申请提供的船体轮廓线编号的示意图。
图11是本申请提供的贴体网格及背景网格的示意图。
图12是本申请提供的虚拟试验及过程监控模块的界面图。
图13是本申请提供的虚拟试验过程的可视化监控的界面图。
图14是本申请提供的虚拟试验数据处理及报告自动生成模块的界面图。
图15是本申请提供的虚拟试验数据处理的结果图。
图16是本申请提供的虚拟试验报告封面图。
图17是本申请提供的虚拟试验可视化情景再现模块的界面图。
图18是本申请提供的两个视角下的虚拟试验过程场景图。
图19是本申请提供的三维流场全景透视图。
图20是本申请提供的船底流线三维流场全景透视图。
图21是本申请提供的虚拟试验平台应用效果对比图。
图22是本申请提供的虚拟试验平台预报精度正态分布情况。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
为了更清晰地认识本发明的具体内容，现将物理水池模型试验的流程与本发明进行一个比对。图1示出了物理水池模型试验从试验前的模型准备，到加工木质模型，再到开展水池模型试验并采集阻力数据，最后到试验数据处理、试验报告编写及影像资料的生成的一个完整的过程，主要内容如下：
1、<试验模型准备>：包括明确试验对象、制定试验方案、船模车间加工试验缩比模型；
2、<开展水池模型试验>：包括在拖车上安装试验缩比模型、导航杆、阻力仪等，拖车拖动船模进行不同航速不同工况下的阻力试验，阻力仪获取试验模型阻力原始试验值，通过前置和后置摄像机获取试验模型首部和尾部的自由液面波形情况(包括图片和视频)，通过水下高速摄像机获取试验船模水下局部流场的流动细节；
3、<数据处理、试验报告及影像资料生成>：对阻力仪获得的原始试验数据进行处理，获得模型总阻力数值RTM、运动姿态及其相关无因次系数，最后编制试验对象的模型阻力水池试验报告。
按照上述工作流程完成一个船模的阻力水池试验，从前期技术沟通制定试验方案，到船模车间的模型加工，到试验前的准备、调试，开展试验以及试验完成后的数据处理和报告的编制，一个流程下来至少需要1个月的时间，而且试验的成本费用也较高，大概在5万左右；而传统的CFD数值计算软件完成一条船模的计算至少要花费一周的时间，并且必须经过专业的、系统性的培训才可以很好的胜任该工作。
本申请公开了一种对标物理水池模型试验的船舶阻力虚拟试验平台，其工作流程图如图2所示，船舶阻力虚拟试验平台的工作流程按照物理水池模型试验的工作流程执行，包括工作流程依次串联的七个执行模块，执行模块依据知识封装原则开展船舶阻力虚拟试验。本实施例以编号为DTMB5415的国际标准水面舰船为例，对虚拟试验平台的功能界面、执行模块、知识封装情况以及虚拟试验预报对象的适用范围、预报周期以及预报效果进行了详细地解读，结合图3下面分别展开介绍各个模块的具体功能。
<1>虚拟试验工程模块：
如图4所示，在开展目标实船的虚拟试验前，首先要创建一个新的虚拟试验工程，该模块功能实现新建或载入一个有计算结果的工程文件。
<2>实船主尺度信息输入模块：
如图5所示，在该界面输入目标实船的预报对象名称以及必要的主尺度参数，主尺度参数包括垂线间长和方形系数，可选的，还包括型宽、型深、浮心位置、湿表面积以及排水体积等参数。其中垂线间长和方形系数关系到后续虚拟试验方案制定和船体结构化网格的自动生成过程中需要计算的一些物理量，如雷诺数、网格点数，其他参数根据用户的实际需求进行有选择地输入。
<3>虚拟试验方案设计模块：
如图6所示，根据试验要求制定虚拟试验方案，生成虚拟试验对象模型。
具体的，在虚拟试验方案设计模块中输入模型缩尺比、试验水温、设计航速以及航速段范围，航速段范围的添加格式为VSmin-VSmax-ΔVS，其中VSmin表示最小航速，VSmax表示最大航速，ΔVS表示航速间隔。
点击“特征参数计算”按钮，依据模块的知识封装自动计算虚拟试验对象模型的傅汝德数和雷诺数，雷诺数的表达式为：
Figure BDA0003146083610000081
其中，Re为雷诺数，Vs为设计航速，Lpp为垂线间长，ν为试验水温下的试验流体的运动粘性系数。
本虚拟试验平台对试验对象模型设计航速下的雷诺数Re有着最低要求，根据雷诺数判断输入的模型缩尺比是否小于等于其最大阈值，模型缩尺比应满足以下公式计算值：
Figure BDA0003146083610000082
其中，λ为模型缩尺比。
若不满足条件则平台自动弹出模型缩尺比的最大阈值，用户根据该阈值再次进行调整，直到满足模型缩尺比最大值的要求。下面以上文所述标准模型DTMB5415为例，该船垂线间长Lpp＝158m，设计航速Vs＝30kn，试验水温15℃时的运动粘性系数ν＝1.13902E-06，按照缩尺比计算公式可知，该模型的缩尺比不能大于33.8，如果输入值大于该值，则平台将跳出如图7所示的对话框。
<4>数值船模加工车间模块：
该模块用于对虚拟试验对象模型进行船体结构化网格的自动生成，包括：
如图8所示，数值船模加工车间模块中封装有几何标准化和计算网格自动生成两种知识模块。
结合图9和图10所示，点击“几何标准化”按钮后，载入船体曲面IGS文件，平台自动调用Pointwise软件使IGS文件显示在该软件的操作界面中，对文件中的船体轮廓线进行编号处理，使之能够满足计算网格自动生成的基本要求。船体轮廓线为描述船体曲面外部形状的边界线，包括甲板线、艏柱线、船底龙骨线以及构成船尾尾封板的四条轮廓线。设最上层的甲板线编号为1，最前端的艏柱线编号为2，最下层的船底龙骨线编号为3，船尾尾封板的四条轮廓线编号分别为4、5、6、7，且编号5、7的轮廓线与编号2相对平行，编号4、6的轮廓线与编号2相对垂直。
点击“计算网格自动生成”按钮后，模块依次执行如下步骤：
1)设置七条船体轮廓线的网格点数和网格疏密度，包括：
甲板线和船底龙骨线的网格点数按照公式N1/3＝300*CB设置，其中CB为方形系数；船尾尾封板的四条轮廓线的网格点数设为定值N4/5/6/7＝60，艏柱线的网格点数设为定值N2＝120。
对甲板线(编号1)和船底龙骨线(编号3)的首尾两端的网格点进行加密处理的方法相同，以甲板线(编号1)的加密方法为例，包括：在甲板线(编号1)上，设分别与甲板线首端和尾端位置最近的一点为第一网格点，甲板线首端和尾端与相应的第一网格点的距离为3×10-3，其余网格点则按照从两端的第一网格点向中心网格点的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置。
对艏柱线(编号2)和与其相对平行的船尾尾封板的两条轮廓线(编号5和编号7)在水线附近的网格点进行加密处理的方法相同，以艏柱线(编号2)的加密方法为例，包括：在艏柱线(编号2)上，设与水线位置最近的对称两点为第二网格点，水线与第二网格点的距离为1×10-3，其余网格点则按照从水线分别向艏柱线两端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置。
船尾尾封板的其余两条轮廓线(编号4和编号6)的网格点均匀布置。
2)设置第一层网格与船体壁面的法向距离、船体网格外拓生长率和外拓步数，包括：
法向距离的表达式为：y＝8.721×y+×Re-0.9286
其中，y+与航速段范围有关，取值范围为[35,120]，且最低航速对应35，最高航速对应120，若最高航速的y+值大于120，则平台自动提示速度范围太大，不满足设计要求。
设置船体网格外拓生长率ε＝1.2、外拓总步数n＝30。
3)将边界条件和设置信息输入至船体网格求解器输出贴体网格及边界条件信息文件，船体贴体网格的示意图如图11-(1)所示。
边界条件包括船体壁面为无滑移边界、船中纵剖面为对称面、外拓网格的30层为重叠网格信息交换面，同时设置CFDSHIP-IOWA为该模块的求解器。
4)将贴体网格及边界条件信息文件与背景网格进行合并，获得满足计算要求的船体结构化网格。
如图11-(2)所示，本申请的背景网格为矩形，长度方向的网格点数设为定值180，宽度方向的网格点数设为定值60，高度方向的网格点数设为定值80。
在背景网格的长边A上，设与长边第一端位置最近的一点为第三网格点，与长边第二端位置最近的一点为第四网格点，长边第一端与第三网格点的距离为7×10-2，长边第二端与第四网格点的距离为1×10-1，其余网格点则按照从第三网格点向第四网格点的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置。
在背景网格的宽边B上，设与宽边第一端位置最近的一点为第五网格点，宽边第一端与长边第一端相交于p4点，宽边第一端与第三网格点的距离为1×10-2，其余网格点则按照从宽边第一端向宽边第二端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置。
在背景网格的高线C上，设与水线位置最近的对称两点为第六网格点，水线与第六网格点的距离为1×10-3，其余网格点则按照从水线分别向高线两端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置。
<5>虚拟试验及过程监控模块：
如图12所示，在该模块中，点击“虚拟试验”按钮可以调用数值计算参数资源利用基于RANS方程的基础求解器执行阻力性能粘流数值计算。
具体的，虚拟试验及过程监控模块中封装有配置数值计算参数资源知识模块，包括设置湍流模型、自由液面捕捉方式、流动和控制参数、时间差分格式、压力求解方法、运动求解方法、网格运动差分精度、运动自由度及其运动阻尼值。
虚拟试验对象模型的运动采用自由模的形式，运动自由度包括船舶的纵倾和升沉运动，获得虚拟试验对象模型在不同航速下的纵倾角和升沉值；湍流模型采用SSTk-ω，自由液面捕捉方式采用Level-Set法，每个CPU核数自动分配计算单元、单块网格量不大于8万，采用2阶时间差分格式，泊松方程的压力项系数值为0.7，线性运动阻尼为50，运动求解方式采用8点滤波显示求解，网格运动差分采用一阶精度。
点击“试验过程监控”按钮可以同时对虚拟试验过程中的物理量进行可视化监控并展示，使用户可以方便直观地查看并掌握当前计算状态，具体包括：
在虚拟试验过程中，如图13所示，虚拟试验及过程监控模块调用后台图形处理软件在平台界面的显示框中实时查看当前计算步的虚拟试验的计算结果，包括残差信息、阻力时程曲线、升沉/纵倾时程曲线、不同航速下的自由面波形图、螺旋桨盘面流场分布图以及船底压力沿着纵向的分布情况，残差信息包括压力残差和速度残差。
<6>虚拟试验数据处理及报告自动生成模块：
如图14所示，点击“数据自动处理”按钮后，平台将对虚拟试验结果进行数据自动处理，输出虚拟试验对象模型和目标实船的阻力性能数值，点击“报告自动生成”按钮后平台自动整理出虚拟试验报告。其中虚拟试验对象模型的阻力性能数值包括所有航速下的总阻力和阻力成分系数、纵倾值和升沉值，通过二因次法准则进行虚拟试验对象模型与目标实船之间的阻力性能换算，预报目标实船的有效功率。图15示出了标准模型DTMB5415虚拟试验的数据处理结果，图16示出了平台提供的虚拟试验报告封面。
<7>虚拟试验可视化情景再现模块：
如图17所示，该模块基于VR可视化技术重现整个虚拟试验过程场景及其三维流场全景透视。如图18所示，点击“虚拟试验场景”按钮实现1：1还原真实的物理水池场景，有深水拖曳水池、导轨、水流、船模等，用户可以穿戴VR眼镜对整个虚拟试验过程有一个沉浸式的体验，船模的加速过程伴随着的自由面波形变化情况均可以通过VR眼镜观察。结合图19、图20所示，点击“三维流场全景透视”按钮实现对整个流场细节的查看，通过穿戴VR眼镜可以观察到不同角度的流动细节，如船首的压力分布变化、船尾轴后方处的漩涡、流线的分布、水面的波形变化等。
<1>、<2>、<3>三个模块对标物理水池模型试验的试验模型准备工作流程，包括明确试验对象、制定试验方案；<4>模块对标物理水池模型试验的试验模型准备工作流程中的加工木质船模；<5>模块对标物理水池模型试验的开展水池模型试验的工作流程，包括进行阻力试验、采集原始试验数据和影像资料；<6>、<7>两个模块对标物理水池模型试验的数据处理、编制试验报告及生成影像资料的工作流程，因此执行流程上与物理水池模型试验完全一致，同时平台本身将以往CFD数值预报涉及到的大量人工操作工作以“知识封装”的原则封装入虚拟试验平台中，用户只需执行虚拟试验对象基本信息的输入以及制定虚拟试验方案，即可开展船舶阻力性能虚拟试验，并能够对试验的过程进行实时监控，试验结束后可以直接获取虚拟试验结果，并实现试验报告的自动生成，大大缩短了虚拟试验的预报周期、大幅降低了虚拟试验的使用门槛，最大程度地降低了用户的人工操作难度以及因人因事引起的预报差异，结合图21和图22所示，该虚拟试验平台的开发进一步提高了船舶设计人员的工作效率。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对标物理水池模型试验的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述船舶阻力虚拟试验平台的工作流程按照物理水池模型试验的工作流程执行，包括七个执行模块：
虚拟试验工程模块，用于新建或载入虚拟试验工程；
实船主尺度信息输入模块，用于输入目标实船的主尺度参数，所述主尺度参数包括垂线间长和方形系数；
虚拟试验方案设计模块，用于根据试验要求制定虚拟试验方案，生成虚拟试验对象模型；
数值船模加工车间模块，用于对所述虚拟试验对象模型进行船体结构化网格的自动生成；
虚拟试验及过程监控模块，调用数值计算参数资源利用基于RANS方程的基础求解器执行阻力性能粘流数值计算，同时对虚拟试验过程中的物理量进行可视化监控并展示；
虚拟试验数据处理及报告自动生成模块，对虚拟试验结果进行数据自动处理，输出所述虚拟试验对象模型和目标实船的阻力性能数值，并自动整理出虚拟试验报告；
虚拟试验可视化情景再现模块，基于VR可视化技术重现整个虚拟试验过程场景及其三维流场全景透视；
所述七个执行模块的工作流程依次串联，所述执行模块依据知识封装原则开展船舶阻力虚拟试验。
2.根据权利要求1所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述虚拟试验工程模块、实船主尺度信息输入模块和虚拟试验方案设计模块对标物理水池模型试验的试验模型准备工作流程，包括明确试验对象、制定试验方案；
根据试验要求制定虚拟试验方案，包括：
在所述虚拟试验方案设计模块中输入模型缩尺比、试验水温、设计航速以及航速段范围，所述航速段范围的添加格式为VSmin-VSmax-ΔVS，其中VSmin表示最小航速，VSmax表示最大航速，ΔVS表示航速间隔；
依据模块的知识封装自动计算所述虚拟试验对象模型的雷诺数，表达式为：
Figure FDA0003146083600000021
其中，Re为所述雷诺数，Vs为所述设计航速，Lpp为所述垂线间长，ν为所述试验水温下的试验流体的运动粘性系数；
根据所述雷诺数判断输入的所述模型缩尺比是否小于等于最大阈值，若不满足条件则平台自动弹出所述模型缩尺比的最大阈值，所述模型缩尺比应满足以下公式计算值：
Figure FDA0003146083600000022
其中，λ为所述模型缩尺比。
3.根据权利要求1所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述数值船模加工车间模块对标物理水池模型试验的试验模型准备工作流程中的加工木质船模；
对所述虚拟试验对象模型进行船体结构化网格的自动生成，包括：
所述数值船模加工车间模块中封装有几何标准化和计算网格自动生成两种知识模块；
在所述几何标准化中，载入船体曲面IGS文件，对文件中的船体轮廓线进行编号处理，所述船体轮廓线为描述船体曲面外部形状的边界线，包括甲板线、艏柱线、船底龙骨线以及构成船尾尾封板的四条轮廓线；
在所述计算网格自动生成中，设置七条船体轮廓线的网格点数和网格疏密度，设置第一层网格与船体壁面的法向距离、船体网格外拓生长率和外拓步数，将边界条件和设置信息输入至船体网格求解器输出贴体网格及边界条件信息文件，将所述贴体网格及边界条件信息文件与背景网格进行合并，获得满足计算要求的船体结构化网格。
4.根据权利要求1所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述虚拟试验及过程监控模块对标物理水池模型试验的开展水池模型试验的工作流程，包括进行阻力试验、采集原始试验数据和影像资料；
所述虚拟试验及过程监控模块中封装有配置数值计算参数资源知识模块，包括设置湍流模型、自由液面捕捉方式、流动和控制参数、时间差分格式、压力求解方法、运动求解方法、网格运动差分精度、运动自由度及其运动阻尼值；
所述虚拟试验对象模型的运动采用自由模的形式，运动自由度包括船舶的纵倾和升沉运动，获得所述虚拟试验对象模型在不同航速下的纵倾角和升沉值；所述湍流模型采用SSTk-ω，自由液面捕捉方式采用Level-Set法，每个CPU核数自动分配计算单元、单块网格量不大于8万，采用2阶时间差分格式，泊松方程的压力项系数值为0.7，线性运动阻尼为50，运动求解方式采用8点滤波显示求解，网格运动差分采用一阶精度。
5.根据权利要求1所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述对虚拟试验过程中的物理量进行可视化监控并展示，包括：
在虚拟试验过程中，所述虚拟试验及过程监控模块调用后台图形处理软件在平台界面的显示框中实时查看当前计算步的虚拟试验的计算结果，包括残差信息、阻力时程曲线、升沉/纵倾时程曲线、不同航速下的自由面波形图、螺旋桨盘面流场分布图以及船底压力沿着纵向的分布情况，所述残差信息包括压力残差和速度残差。
6.根据权利要求1所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述虚拟试验数据处理及报告自动生成模块、虚拟试验可视化情景再现模块对标物理水池模型试验的数据处理、编制试验报告及生成影像资料的工作流程；
所述虚拟试验对象模型的阻力性能数值包括所有航速下的总阻力和阻力成分系数、纵倾值和升沉值，通过二因次法准则进行所述虚拟试验对象模型与目标实船之间的阻力性能换算，预报所述目标实船的有效功率。
7.根据权利要求3所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述设置七条船体轮廓线的网格点数和网格疏密度，包括：
所述甲板线和船底龙骨线的网格点数按照公式N1/3＝300*CB设置，其中CB为所述方形系数，所述船尾尾封板的四条轮廓线的网格点数设为定值N4/5/6/7＝60，所述艏柱线的网格点数设为定值N2＝120；
对所述甲板线和船底龙骨线的首尾两端的网格点进行加密处理的方法相同，包括：在所述甲板线上，设分别与甲板线首端和尾端位置最近的一点为第一网格点，所述甲板线首端和尾端与相应的第一网格点的距离为3×10-3，其余网格点则按照从两端的第一网格点向中心网格点的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置；
对所述艏柱线和与其相对平行的船尾尾封板的两条轮廓线在水线附近的网格点进行加密处理的方法相同，包括：在所述艏柱线上，设与水线位置最近的对称两点为第二网格点，水线与所述第二网格点的距离为1×10-3，其余网格点则按照从所述水线分别向艏柱线两端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置；
所述船尾尾封板的其余两条轮廓线的网格点均匀布置。
8.根据权利要求3所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，设置第一层网格与船体壁面的法向距离，包括：
所述法向距离的表达式为：y＝8.721×y+×Re-0.9286
其中，Re为雷诺数，y+与航速段范围有关，取值范围为[35,120]，且最低航速对应35，最高航速对应120，若最高航速的y+值大于120，则平台自动提示速度范围太大，不满足设计要求。
9.根据权利要求3所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述背景网格为矩形，长度方向的网格点数设为定值180，宽度方向的网格点数设为定值60，高度方向的网格点数设为定值80；
在所述背景网格的长边上，设与长边第一端位置最近的一点为第三网格点，与长边第二端位置最近的一点为第四网格点，所述长边第一端与所述第三网格点的距离为7×10-2，所述长边第二端与所述第四网格点的距离为1×10-1，其余网格点则按照从所述第三网格点向第四网格点的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置；
在所述背景网格的宽边上，设与宽边第一端位置最近的一点为第五网格点，所述宽边第一端与所述长边第一端相交，所述宽边第一端与所述第三网格点的距离为1×10-2，其余网格点则按照从所述宽边第一端向宽边第二端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置；
在所述背景网格的高线上，设与水线位置最近的对称两点为第六网格点，水线与所述第六网格点的距离为1×10-3，其余网格点则按照从所述水线分别向高线两端的方向，相邻网格点间的距离等比例变大布置。
10.根据权利要求3所述的船舶阻力虚拟试验平台，其特征在于，所述边界条件包括船体壁面为无滑移边界、船中纵剖面为对称面、外拓网格的30层为重叠网格信息交换面。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114633850A (zh) * 2022-03-10 2022-06-17 上海交通大学 一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110110352A (zh) * 2019-03-20 2019-08-09 浙江海洋大学 一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法
CN110118639A (zh) * 2019-04-26 2019-08-13 华中科技大学 一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统
CN111222202A (zh) * 2020-01-19 2020-06-02 智慧航海（青岛）科技有限公司 一种基于虚拟试验平台的船体网格自动划分方法
CN111753370A (zh) * 2020-06-03 2020-10-09 智慧航海（青岛）科技有限公司 一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110110352A (zh) * 2019-03-20 2019-08-09 浙江海洋大学 一种基于重叠网格的船舶纵向航态与阻力预报方法
CN110118639A (zh) * 2019-04-26 2019-08-13 华中科技大学 一种三维数字船模虚拟阻力实验方法及系统
CN111222202A (zh) * 2020-01-19 2020-06-02 智慧航海（青岛）科技有限公司 一种基于虚拟试验平台的船体网格自动划分方法
CN111753370A (zh) * 2020-06-03 2020-10-09 智慧航海（青岛）科技有限公司 一种基于虚拟仿真平台的船舶摇荡运动的试验方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
胡俊明: "《基于RANS法虚拟试验水池的船舶快速性预报研究》", 《中国优秀博士论文科技辑工程II辑》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114633850A (zh) * 2022-03-10 2022-06-17 上海交通大学 一种船舶结构有限元模型虚拟可视化重构方法

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