1.功能介绍

本试验可在不同来流方向角下，预报海洋平台所受风载荷与流载荷，适用于沉箱式、下体式等多种半潜式平台结构类型，还可以对其他类型平台进行计算分析。本产品计算参数输入简洁，计算域网格自动生成，一些参数的设置调整还具备一定的专家经验。

主要功能有：
    1.平台风载荷阻力系数与风倾力矩系数预报；
    2.平台流载荷阻力系数与倾覆力矩系数预报；
    3.流场中任一点信息检测（包括速度、压力等）；
    4.适用于海洋平台风载流载同时预报，还可以分别进行评估。

2.产品特色

   1.核心求解器为interFoam，计算参数输入简单，不同平台适用性较强；
   2.计算域网格自动生成。可根据输入的最小网格尺寸自动生成网格，支持stl 的ASCLL格式几何文件；
   3.试验结果分析。可给出风载流载在平台自身坐标系下对应三个坐标轴方向 的受力以及力矩，同时给出风载流载的阻力与倾覆力矩，并对上述8个变量进行无因次化处理。可提供流畅内任意一点的压力与速度，试验结果实时曲线展示，实验报告自动生成。

3.运行环境和效率

主流PC机上即可运行；Linux操作系统，高性能计算集群上也可运行。

计算速度较快，高性能计算集群上计算风载样例试验耗时约18小时21分钟。

4. 试验精度

试验结果与中国船舶重工集团公司第七〇二研究所的半潜平台标模风载流载试验进行对比验证，结果显示风载流载阻力系数与倾覆力矩系数误差在15%以内。

（一）案例一半潜平台标模风载虚拟试验

  1.1 案例名称

案例试验-半潜平台标模风载虚拟试验

  1.2 案例描述

试验中半潜平台试验模型采用中国船舶重工集团公司第七〇二研究所进行的半潜平台标模风载流载试验模型，模型缩尺比为1：130，进行试验的对比工况为作业装载状况下，分析流向角分别为0°、45°、90°、135°、180°，风速为25.7 m/s平台风载情况。主要对平台阻力D、风倾力矩Mw、对应三个坐标轴的力和力矩，以及他们的无量纲系数进行对比分析。

  1.3 性能比对

在计算效率方面，虚拟试验要高于商业软件STAR-CCM+。采用虚拟试验系统时。使用96核进行并行计算，时间步长取0.00004s，耗时约18小时21分钟。采用商业软件STAR-CCM+时，使用18核并行计算，时间步长取0.001s，耗时约55小时。在计算精度方面，虚拟试验与商业软件STAR-CCM+具备同一精度水平的预报结果，计算精度相当。在计算方法方面，虚拟试验与商业软件STAR-CCM+采用相似的计算方法。

  1.4 工业应用

  1.5 案例视频

（二）案例一半潜平台标模流载虚拟试验

  1.1 案例名称

案例试验-半潜平台标模流载虚拟试验

  1.2 案例描述

试验中半潜平台试验模型采用中国船舶重工集团公司第七〇二研究所进行的半潜平台标模风载流载试验模型，模型缩尺比为1：130，进行试验的对比工况为作业装载状况下，分析流向角分别为0°、45°、90°、135°、180°，流速为3.2 m/s平台流载情况。主要对平台阻力D、倾覆力矩Mw、对应三个坐标轴的力和力矩，以及他们的无量纲系数进行对比分析。

  1.3 性能比对

在计算效率方面，虚拟试验要高于商业软件STAR-CCM+。采用虚拟试验系统时。使用4核进行并行计算，时间步长取0.00015s，耗时约17小时51分钟。采用商业软件STAR-CCM+时，使用4核并行计算，时间步长取0.001s，耗时约55小时。在计算精度方面，虚拟试验与商业软件STAR-CCM+具备同一精度水平的预报结果，计算精度相当。在计算方法方面，虚拟试验与商业软件STAR-CCM+采用相似的计算方法。

  1.4 工业应用

  1.5 案例视频

（三）案例一半潜平台流载虚拟试验

  1.1 案例名称

案例试验-半潜平台流载虚拟试验

  1.2 案例描述

试验中半潜平台试验模型来源于挪威海洋工程技术研究所进行的极端海况下半潜平台的模型试验报告，该试验于2015年10月在MARINTEK海洋深水试验水池进行。模型缩尺比为1：50，进行试验的对比工况为作业装载状况下，分析流向角分别为0°，流速分别为0.817 m/s与1.580 m/s平台流载情况。主要对平台流载阻力和力矩，以及他们的无量纲系数进行对比分析。

  1.3 性能比对

在计算效率方面，采用虚拟试验系统时。使用64核进行并行计算，时间步长取0.0005s，耗时约1小时3分钟，并未与商业软件STAR-CCM+进行对比。在计算精度方面，虚拟试验与模型试验相对误差在10%以内。

  1.4 工业应用

  1.5 案例视频

用户登录中国数值水池虚拟试验系统后，可完成系统提供的各类虚拟试验。虽然试验在参数、求解器、计算结果等方面区别很大，但总体上来说操作过程基本相同，主要由四个部分组成：1试验创建；2参数录入（前处理）；3计算求解；4结果展示（后处理）。下面以“平台风流作用力”为例进行详细介绍。

登录系统后，点击页面左侧导航栏中的“平台风流作用力”，从而进入该试验的管理页面。如下图所示，该页面有关于船舶快速性预报的主要功能介绍，以及该虚拟试验的相关特色，其下为“我的试验”。

“我的试验”中给出用户做过的试验列表，该列表以时间顺序排序，可以在看到用户做的每一个虚拟试验的概要信息，如试验名称、编号、描述、创建时间、修改时间等内容，用户可在这里对试验进行创建核删除操作。

页面的右侧是平台风流作用力的“样例试验”，如下图所示。样例试验有两个其一主要针对平台风载荷计算，也可同时计算风载流载，另外一个主要针对平台流载荷计算是系统提供的已经完成的典型试验，对系统中的所有注册用户开放，可给用户提供一定的参考，从而更好地完成自己的虚拟试验。

点击“样例试验”后，则进入样例试验的详情界面，可以看到样例试验的参数设置、求解器的执行信息及试验的结果。这里，用户可以查看样例的所有信息，但不可以修改。

1.试验创建

系统提供了两种创建虚拟试验的方法，第一种是通过某个虚拟试验为范本来创建虚拟试验。如下图所示，点开某个虚拟试验的详情页面，在这个页面的右侧用红色字体标出的字样“以此创建试验”，则弹出创建新试验的对话框，输入适当的试验名称、编号及描述，点击确定即可完成新试验的创建。

如下图所示，新试验创建后桨自动跳转到该试验的详情页面，可见通过这种方式创建的新试验是样例试验的一个拷贝，其参数与样例试验相同，用户只需按实际情况修改部分参数即可。因此，可将当前虚拟试验看成试验模板，起到初始化设定新试验参数的作用，系统推荐通过这样的方式来创建新的虚拟试验。

第二种创建新试验的方法是创建一个空白试验。如下图所示，通过点击“平台风流作用力”中虚拟试验列表上方的“新建”按钮，同样会弹出对话框如下图。填入相应的信息，然后点击确定，即可创建一个新的空白试验。

如下图所示，新空白试验创建后，同样会自动跳转到该虚拟试验的详情页面。可见通过该方法创建的所有虚拟试验都是空白，需要用户手动输入所有的必填参数，方可进行计算，该方法适用于有一定经验的用户。

2. 参数录入

当一个新的虚拟试验创建口，用户需要对其参数进行适当的录入或修改，为确保结果的准确，请确认所录入的参数符合实际情况。一个虚拟试验可大致分为文件型参数、单数值型参数、表格型参数几种类型，下面以“平台风流作用力”为例，介绍一下各种类型参数的录入方式。

2.1 模型文件上传

在“输入”标签中，点击“模型文件上传”小标签下方的“点击上传”按钮，可进入如下图所示页面，可以选择需要上传的文件，本产品支持ASCLL码格式的stl文件。

2.2 平台尺寸

点击“平台尺寸”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对平台主要尺寸相关的参数进行设置，以下所有参数都需要用户手动输入。

2.3 网格划分

点击“网格划分”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对有关计算域大小以及网格加密的参数进行设置，以下所有参数都需要用户手动输入。这里需要注意的是网格最小尺寸为模型表面网格的最小尺寸，内置网格加密等级为4级。

2.4 流速

点击“预期航速”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对风速与流速参数进行设置，以下所有参数都需要用户手动输入。

2.5 计算参数

点击“计算参数”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对计算求解参数进行设置，以下所有参数都需要用户手动输入。

2.6 湍流模型

点击“湍流模型”小标签下方的“修改”按钮，可进入如下图所示页面，可以对计算方法参数进行设置，模拟方法下可选择LES与RANS，其中选择RANS还会跳转出具体的湍流模型。

3. 计算求解

全部参数正确设置后，可启动求解器进行计算。如下图所示红色方框内，求解器的启动及计算状态展示在整个页面的右下方。

如下图所示，点击“启动计算”按钮，会弹出启动确认对话框，点击确定按钮即可启动计算。

如果用户录入的参数不符合计算条件时，计算将无法启动，并会弹出对话框进行提示，请用户按照提示的要求来填写相关的参数，以确保试验能够正确，顺利的进行。

4 结果展示

当求解器执行结束后，可切换到“后处理”标签对应的页面来看本次虚拟试验的结果，试验结果可分为以下两种：

4.1 虚拟试验报告

4.2 平台水上部分与水下部分x方向受力的实时曲线

用户需要点亮标签“平台水下部分x方向受力时历曲线”与“平台水上部分x方向受力时历曲线”，再点击“显示曲线”标签，稍作等待便可观察到实时输出的曲线了，如下图所示

1. 坐标系与内置参数设置

试验采用船体坐标系O-xyz（体轴系），如图1所示。坐标系原点O位于船体中纵剖面、中横剖面以及水平面的交点，Ox轴平行水平面指向船艏，Oy轴指向左舷，Oz轴垂直向上。水上部分风载三个方向的表示为：纵向力X沿Ox轴方向、侧向力Y沿Oy轴方向、垂向力Z沿Oz轴方向；绕Ox、Oy和Oz轴的三个力矩为K（横倾力矩）、M（纵倾力矩）、N（转首力矩）。沿来流方向的水平力为阻力，记为D；对应的力矩为风倾力矩，记为Mw。

本试验的控制方程为传统的Navier-Stokes (N-S)方程，采用VOF方法捕捉自由液面。需要注意的是本模型的网格并未采用边界层网格，作为代替的是一层贴体网格。这样做的目的是为了减少一定的网格数量，提高计算速度。考虑到风速流速的复杂性，本试验对入口速度条件进行了特殊处理，即使用codedFixedValue自主编写，方便后期对此处做简单的修改。本试验主要采用RANS方法，使用k-w SST湍流模型，该模型对于大雷诺数模拟精度较高。压力速度解耦采用PIMPLE算法，即PISO算法与SIMPLE算法相结合，压力p采用GAMG多重网格方法求解，其他物理量由smoothSolver光顺求解器求解。数值离散方法在时间项上采用Euler方法，对流项采用Gauss liner方法，扩散项采用Gauss linerUpwind方法。

2. 参考文献

[1] 朱航, 马哲, 翟钢军, 等. HYSY-981 半潜式平台风载荷数值模拟与风洞实验[J]. 船海工程, 2009, 38(5):149-152.

[2] 肖丽娜, 索双武. 深水半潜平台的环境载荷分析[J].船海工程, 2012, 41(1): 85-87.

[3] 林一, 胡安康, 熊飞. 自升式平台风载荷数值模拟与实验研究[J]. 水动力学研究与进展, A 辑, 2012, 27(2): 208-215.

[4] ISHERWOOD R M. Wind resistance of merchant ships[J]. Royal Institution of Naval Architects, 1972,115: 327-338.

[5] GOULD R W F. The estimation of wind loads on ship superstructures[M]. London, UK: The Royal Institution of Naval Architects, 1982.

[6] BLENDERMANN W. Wind loads on moored and manoeuvring vessels[C]. Proceedings 12th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE), New York, USA, 1993.

[7] BLENDERMANN W. Parameter identification of wind loads on ships[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1994, 51(3): 339-351.

[8] HADDARA M R, GUEDES SOARES C. Wind loads on marine structures[J]. Marine Structures, 1999, 12(3): 199-209.

[9] WNĘK A D, PAÇO A, ZHOU X Q, et al. Numerical and experimental analysis of the wind forces acting on LNG carrier[C]. V European Conference on Computational Fluid Dynamics, Lisbon, Portugal, 2010.

[10]夏贤. 倪歆韵. 潘子英. 田于达. SSCV II半潜式起重平台改型的风载比对试验研究[J]. 第十四届全国结构风工程会议论文集.

[11]倪歆韵. 陈江峰. 倪阳. 邱耿耀. 陈鲁愚. 船舶风载荷和流载荷数值模拟计算方法研究[J]. 水动力学研究与进展. 2013.7.28(4):408-413.

[12]Xiao LiNa, Suo ShuangWu. Analysis of environment load of semi-submerged platform in deep water[J]. Ship & Ocean Engineering. 2012, 41(1):85-87.

3. 研究团队

哈尔滨工程大学

4. 研究进展

朱航[1]等采用SST k-ω湍流模型对某半潜式平台的风载荷进行数值计算，并与试验结果比对，趋势吻合良好；肖丽娜[2]等采用经验公式对深水半潜平台的风、流载荷进行估算，但未有试验结果作参考；林一[3]等采用k-ε湍流模型计算了某自升式钻井平台的风载荷，与规范公式计算结果和试验结果比对发现，数值计算结果在变化趋势和数值大小上都更接近于试验结果。国内开展的风流载荷计算多基于海洋平台，研究对象为船舶的报道较为少见，而国外在船舶环境载荷研究方面的报道则较多，但多基于回归公式分析方法。Isherwood等[4]通过试验数据多元回归分析获得了力、力矩系数的表达公式，该方法可应用于多种船型；Gould等[5]提出了一种船体上层结构风载荷计算方案，并结合试验数据修正，可应用于更多船型；Blendermann等[6,7]通过风载荷数据系统收集得到了船舶风载荷力和力矩系数；Haddara等[8]采用神经网络方法计算船体风载荷，计算结果接近于试验结果，证实了此方法的可靠性；Wnęk等[9]将CFD 方法应用于某一条LNG 船，计算船体风载荷，并与试验结果比较，结果显示在变化趋势上两者完全一致。

5. 实用工具

STAR-CCM+是CD-adapco公司采用最先进的连续介质力学数值技术开发的新一代CFD求解器。能很好地支持船舶的前期设计研究，目前在船舶类行业应用甚广。 该软件搭载了CD-adapco独创的最新网格生成技术，可以完成复杂形状数据输入、表面准备--如包面（保持形状、简化几何、自动补洞、防止部件接触、检查泄露等功能）、表面网格重构、自动体网格生成（包括多面体网格、六面体核心网格、十二面体核心网格、四面体网格）等生成网格所需的一系列作业。 此外，在并行计算上，STAR-CCM+取得了巨大改进，不仅表面求解器可以并行计算，对前后处理也能通过并行来实现，大大提高了分析效率。在计算过程中可以实现监控分析结果（如矢量、标量和结果统计表等），同时实现了工程问题后处理数据方面的高度实用性、流体分析的高性能化、分析对象的复杂化、用户水平范围的扩大化。由于采用了连续介质力学数值技术，STAR-CCM+不仅可进行流体分析，还可进行结构等其它物理场的分析。