1.功能介绍

本产品基于计算流体力学，融合了体网格智能生成和求解器参数智能设置，能实现船模自航虚拟试验测试，操作简单易用。产品适用于三大主力船型。

主要功能有：
    1.不同转速下的自航推力、扭矩测试；
    2.试验数据分析；
    3.报告自动生成；

2.产品特色

1. 船模自航系列工况构建；
    2. 深度融合螺旋桨敞水数值试验专家经验，计算结果高效准确；

3. 用户使用界面简洁友好，自动生成网格和自动设置求解器相关参数，操作方便；

4. 内置批处理功能能够一键分析全部工况的自航性能，生成自航虚拟试验报告。

3.运行环境和效率

基于RANS方式开发的粘流计算，推荐采用并行计算，CPU核数推荐96核以上，完成一个船模自航虚拟试验的时间一般为48小时左右。

4.试验精度

测试结果通过了数值水池大子样数据库的验证。与随机抽取的数值水池大子样数据库的试验数据相比，自航虚拟试验得到的推力扭矩的误差在5%以内。

样例(一)一KCS/船模自航虚拟试验

1. 案例名称

样例试验-KCS/船模自航虚拟试验

2. 案例描述

KCS/船模自航虚拟试验

3. 试验对象

3. 试验方法

按照要求输入KCS的一些实船特征尺度及相关的虚拟试验信息，以stl文件格式的形式上传船体、甲板、艉封板、舵、螺旋桨、桨毂、旋转域等几何。点击齿轮按钮 ，弹出试验属性对话框，点击启动计算按钮开始虚拟试验。

4. 试验特色

在计算完成后，在计算结果栏目中会显示计算结果并自动生成报告。

5. 性能比对

由于本系统高度集成了自航数值计算专家智慧经验，用户只需要简单的提交几何和输入基本参数即可进行KCS船模自航虚拟试验。相比商业软件，本系统免除了工程技术人员进行数值计算时繁重的前后处理工作，使其将工作重心转移到关注船舶本身的性能上来，提升了工作效率。同时在调用96核进行数值计算时仅仅需要花费48小时即可得到虚拟试验报告，这与商业软件的计算时间相差不大。数值模拟因其高度的复杂性，自航计算结果的准确程度极度依赖实际使用工程师的经验，经过测试（详见试验介绍之试验精度）本系统内置的专家策略模块已经达到了能够满足工程应用的水平。一个不同数值计算的船舶行业从业人员也可轻松进行自航虚拟试验。从这个角度来讲，这是通用商业软件无法比拟的。。

6. 工业应用

本虚拟试验已经得到了大连船舶重工集团公司和广船国际两家单位的使用并获得了认可。

样例(二)一某散货船/船模自航虚拟试验

1. 案例名称

样例试验-某散货船/船模自航虚拟试验

2. 案例描述

某散货船/船模自航虚拟试验

3. 试验对象

某散货船，船型主尺度参数如下表所示。

3. 试验方法

按照要求输入该散货船的一些实船特征尺度及相关的虚拟试验信息，以stl文件格式的形式上传船体、甲板、艉封板、舵、螺旋桨、桨毂、旋转域等几何。点击齿轮按钮 ，弹出试验属性对话框，点击启动计算按钮开始虚拟试验。

4. 试验特色

在计算完成后，在计算结果栏目中会显示计算结果并自动生成报告。

5. 性能比对

由于本系统高度集成了自航数值计算专家智慧经验，用户只需要简单的提交几何和输入基本参数即可进行某散货船船模自航虚拟试验。相比商业软件，本系统免除了工程技术人员进行数值计算时繁重的前后处理工作，使其将工作重心转移到关注船舶本身的性能上来，提升了工作效率。同时在调用96核进行数值计算时仅仅需要花费48小时即可得到虚拟试验报告，这与商业软件的计算时间相差不大。数值模拟因其高度的复杂性，自航计算结果的准确程度极度依赖实际使用工程师的经验，经过测试（详见试验介绍之试验精度）本系统内置的专家策略模块已经达到了能够满足工程应用的水平。一个不同数值计算的船舶行业从业人员也可轻松进行自航虚拟试验。从这个角度来讲，这是通用商业软件无法比拟的。

6. 工业应用

本虚拟试验已经得到了大连船舶重工集团公司和广船国际两家单位的使用并获得了认可。

1. 试验创建

当前系统中提供两种创建试验的办法。

1.1 通过样例试验创建新的试验

在基本参数页面中，鼠标触碰齿轮按钮 ，弹出试验属性对话框，点击 “以此创建试验”按钮，则弹出创建新试验对话框，输入适当的试验名称、试验编号及试验描述，点击确定即可完成新试验的创建，如图3.1、图3.2所示。

新试验创建后将自动跳转到该试验的详情页面，如图3.3所示。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，用户需按实际情况修改参数、上传几何文件来进行船模自航虚拟。

1.2 新建空白试验

第二种创建新试验的方法是创建一个空白试验。通过点击虚拟试验任务列表的“新建”按钮，在弹出的对话框中填入必要的信息，然后点击确定，即可创建一个新的空白试验，如图3.4，图3.5所示。

之后页面将自动跳转到该试验的详情页面，如图3.6所示。通过这种方法创建的新试验所有的参数都是空白的，需要用户填入所有的必需参数、上传几何，才能进行计算。

2. 参数录入

当一个新的虚拟试验创建后，用户需要输入参数、上传几何后才能进行虚拟试验。为确保结果的准确，请确认输入的参数符合实际情况。船模自航虚拟试验需要输入或者选择的参数一共有6处，分别为“参数类型”、“船体相关几何文件”、“虚拟试验缩尺比”、“实船特征尺度”、“辅助参数”、“试验参数”。

2.1 参数类型

点击参数类型下方的修改按钮进行参数的选择，如图3.7，图3.8所示。图中的“参数类型”只能选择实船尺度，这就意味着接下去用户所要填写的数据都是实船尺度的数据。“船舶类型”中可以根据实际情况选择油船、散货船、集装箱船。“螺旋桨类型”可以根据实际情况选择“4叶桨”、“5叶桨”和“6叶桨”。“螺旋桨旋向”可以根基实际情况选择“左旋”或“右旋”。

2.2 船体相关几何文件

船模自航虚拟试验需要将船体、甲板、艉封板、舵、螺旋桨、桨毂、旋转域以stl文件格式的形式分别上传，文件名请用英文字母，船体几何、螺旋桨几何的stl文件要求不小于12MB。旋转域的曲线和曲面弦度需等于2°，即确保旋转域圆柱的光滑。为了保证虚拟试验能够顺利进行，我们建议用户先将船、桨、舵组合成一个封闭的几何，而后逐一输出每一个部件。各个部件的几何示意，用户可以下载参看样例试验中的几何情况。

船模自航虚拟试验时的坐标系原点位于船体中纵剖面、水线面以及0站处横剖面的交点，X轴正方向朝着船艏，Z轴垂直向上，如图3.8所示。因此用户在处理几何时需以此作为参考坐标系。上传的几何均为实船尺度。

值得注意的是，虽然用户是分别上传的船体和舵，但是两者的组合必须是紧密贴合的，如图3.10所示。

用户创建的旋转域为圆柱体，直径为螺旋桨直径的1.1倍，圆柱的轴心与螺旋桨旋转的轴心一致，圆柱的厚度适当且不与其他几何相交，船体与螺旋桨桨毂之间需要有缝隙，圆柱的一个面须在这缝隙中间，如图3.11所示。

2.3 虚拟试验缩尺比

点击修改按钮输入虚拟试验的缩尺比。

2.4 实船特征尺度

点击修改按钮，输入实船特征尺度，如图3.12所示。这里需要填写实船尺度的参数。

2.5 辅助参数

点击修改按钮，输入旋转域的最小x坐标值和最大x坐标值，输入桨毂最小x坐标，如图3.13所示。这里需要填写实船尺度的参数。

2.6 试验参数

点击修改按钮，输入试验参数，如图3.14所示。值得注意的是进行自航虚拟试验时，需要设置两个螺旋桨转速，使得自航点的转速能够在两个转速之间。系统已经帮用户填写了默认值，用户可以根据经验自行修改，考虑到数据分析的精度问题，两个转速相差不能太大。

3. 计算求解

全部参数正确设置后，点击启动计算。如图3.15所示，

4. 结果展示

当求解器执行结束后，鼠标触碰齿轮按钮时，弹出的对话框中的计算状态会显示“已完成”，如图3.16所示。此时点击“试验结果”标签可以查看本次船模自航虚拟试验的详细结果，如图3.17所示。点击“试验报告”本系统将自动为用户生成虚拟试验报告，供用户下载，如图3.18所示。

1. 自航虚拟试验基本理论介绍

船模自航虚拟试验由数值模拟模块、专家智慧模块、数据自动后处理模块构成，具有准确、便捷的特点，能够帮助用户方便的完成船模自航虚拟试验。

在数值模拟模块方面，本虚拟试验采用RANS作为控制方程，并使用有限体积法进行离散，对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式。对于速度压力解耦算法采用PISO (Pressure Implicit with Splitting of Operator)算法。湍流模型采用Menter 提出的SST（Shear Stress Transport） 模型，该模型通过剪应力输运公式结合当前两种主流的二方程湍流模型，综合了 及 两种湍流模型的优点：利用 处理近壁面边界层，包括处理逆压力梯度以及流动分离等问题；利用 处理远场，包括剪切力和压力梯度较小的流动情况。船模自航虚拟试验的主要方程包括：连续性方程、动量方程及湍流模型方程。

在专家智慧模块方面，本虚拟试验集成了三大主力船型的专家知识库，可以自动完成网格划分、求解器设定、求解计算等过程，减少人机交互，从而大大缩短前处理步骤的时间；可为船舶快速性的研究和评估提供数据参考，操作简单易用。

在数据自动后处理方面，本虚拟试验集成了数据自动后处理功能和试验报告自动生成功能，省去了用户进行数据后处理和试验报告撰写的时间。

2. 参考文献

[1]祝启波,王志东,凌宏杰,庄丽帆.基于滑移网格的带桨水面船自航性能预报研究[J].舰船科学技术,2016,38(17):42-48.

[2]付翯翯,邹早建.带扭曲舵船舶自航因子数值预报[J].水动力学研究与进展(A辑),2016,31(04):409-415.

[3]李亮,王超,孙帅,孙盛夏.实船自航试验数值模拟及尺度效应分析[J].哈尔滨工程大学学报,2016,37(07):901-907.

[4]程宣恺.带节能装置的船模自航试验数值模拟[J].船舶与海洋工程,2015,31(01):25-30.

[5]沈志荣. 船桨舵相互作用的重叠网格技术数值方法研究[D].上海交通大学,2014.

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[7]程宣恺,周志勇,陈康,魏菲菲,陆琛亮.船模自航试验数值模拟研究[J].船舶与海洋工程,2013(03):10-15.

[8]朱芳艳. 船模自航试验的数值模拟[D].武汉理工大学,2013.

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[10]王金宝,蔡荣泉,冯学梅.计及自由面兴波和螺旋桨非定常旋转效应的集装箱船舶绕流场计算研究[J].水动力学研究与进展A辑,2007(04):491-500.

3. 研究团队

1、上海船舶运输研究所航运技术与安全国家重点实验室数值中心

2、上海交通大学万德成教授研究团队

3、哈尔滨工程大学船舶工程学院

4. 实用工具

商用软件例如FLUENT、STARCCM+等均能完成船模自航数值计算