1.功能介绍

本虚拟试验测量船后螺旋桨空泡诱导的船体表面激振力，试验对象为散货船、油船和集装箱船等三大主力商船，粘流模块的主要特点是采用最先进的粘流CFD技术，集成了船舶CFD应用经验，因而预报精度高。

主要功能有：
    1.船后螺旋桨空泡激振力预报虚拟试验

2.产品特色

螺旋桨空泡激振力子系统比拟物理模型试验进行船后螺旋桨空泡激振力的虚拟测试，用户只要提供船型几何、螺旋桨几何以及试验工况，无需进行复杂的数值计算设置和操作，就能获得螺旋桨空泡激振力的虚拟测量，并且自动形成试验报告。

粘流方法模块采用先进的CFD技术，依托超级计算机运行，虚拟测量精度高速度快。

3.运行环境和效率

粘流激振力预报模块网络服务，可以在互联网直接提交虚拟试验任务，由系统自动完成数值计算控制。

此外，也可以在多核服务器或者超级计算机上运行，数值计算在linnux操作系统下运行，而输入输出以及虚拟试验控制在Windows系统下进行，为了使虚拟试验能顺利进行，数值计算服务器核数至少应大于32。

测试结果的获取时间取决于所利用的计算机核数，目前经测试，使用256核，大约8小时可以获得虚拟试验报告。

4.试验精度

和物理模型试验相比，虚拟试验精度大多达到偏差小于8%。

案例(一)一育鹏轮螺旋桨空泡激振力虚拟试验

1. 案例名称

案例试验-育鹏轮螺旋桨空泡激振力虚拟试验

2. 案例描述

育鹏轮是一艘多功能教学船，以育鹏轮模型为标模在CSSRC进行了基准检验试验，本案例开展了育鹏轮模型空泡激振力的虚拟试验（粘流模块），预报获得的空泡形态变化以及空泡诱导的船体激振力和基准检验试验进行了比较，吻合较好，验证了虚拟试验结果的可靠性，可用于工程应用。

3. 性能比对

案例(二)一阿芙拉油船标模螺旋桨空泡激振力虚拟试验

1. 案例名称

案例试验-阿芙拉油船标模螺旋桨空泡激振力虚拟试验

2. 案例描述

阿芙拉型油船是当前常用的一种油船船型，以阿芙拉油船为标模在CSSRC进行了基准检验试验，本案例开展了阿芙拉油船模型空泡激振力的虚拟试验（粘流模块），预报获得的空泡形态变化以及空泡诱导的船体激振力和基准检验试验进行了比较，吻合较好，验证了虚拟试验结果的可靠性，可用于工程应用。

3. 性能比对

模拟的空泡外形和模型试验基本吻合，空泡形态的变化趋势和试验也吻合较好。

设计吃水工况船体表面脉动压力一阶叶频幅值最大值都位于P6点，与物理试验吻合，P6点虚拟试验值比物理试验值偏大7.5%

案例(三)一14000 箱集装箱船桨空泡激振力虚拟试验

1. 案例名称

案例试验-14000 箱集装箱船桨空泡激振力虚拟试验

2. 案例描述

14000 箱集装箱船在CSSRC循环水槽进行了螺旋桨空泡激振力模型试验，本案例开展了14000 箱集装箱船空泡激振力的虚拟试验（粘流模块），预报获得的空泡形态变化以及空泡诱导的船体激振力和模型试验进行了比较，吻合较好，验证了虚拟试验结果的可靠性，可用于工程应用。

3. 性能比对

压载吃水工况船体表面脉动压力一阶叶频幅值最大值都位于P9点，与物理试验吻合，P9点虚拟试验值比物理试验值偏大4.1%。

用户登录中国数值水池虚拟试验系统后，点击页面左侧导航栏中的“粘流空泡激振力”，从而进入该试验的管理页面，如下图所示，该页面有关于粘流空泡激振力的主要功能介绍，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和删除操作。

页面的右侧是粘流空泡激振力的“样例试验”，如下图所示。样例试验是系统提供的已经完成的经典试验，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，点击确认即可完成新试验的创建。

该页面上部为船模自航虚拟试验的简介，其下方为用户已完成或者正在进行的虚拟试验列表，该列表以时间先后顺序，将任务从下到上排列。虚拟试验列表包含试验名称、试验编号、项目描述、创建时间、修改时间、创建者等信息，用户可通过点击新建或者删除按钮来达到新建或者删除虚拟试验的功能。

在该页面的右侧是“样例试验”，是系统提供的已经完成的典型试验。样例试验对系统中所有用户开放，可给用户提供一点的参考，从而更好地完成自己的试验。点击“样例试验”标签可以看到典型试验的内容，如图2.2所示。

如下图所示，新试验创建后将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，用户需要按实际情况修改参数，上传新的网格文件和脉动压力监测点坐标文件。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“粘流空泡激振力”中虚拟试验列表上方的“新建”按钮，同样会出现对话框如下图。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，并上传船体和螺旋桨网格文件及脉动压力监测点坐标文件，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后，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。在“粘流空泡激振力”参数录入（后处理）中，主要有实船几何参数、工况参数、计算控制条件参数需要进行输入。

   2.1 实船几何参数

点击“修改”按钮，进行相应的实船几何参数输入。如下图所示。

   2.2 工况参数

点击“修改”按钮，进行相应的工况参数输入。如下图所示。同时需要用户上传船体网格文件和桨叶网格文件，两个网格文件目前都统一要求为ASCII码存储，后缀名.msh，具体要求如下表所示。

   2.3 计算控制条件参数

点击“修改”按钮，进行相应的计算控制条件参数输入。如下图所示。同时需要用户上传脉动压力监测点坐标文件，文件名为coordinate.dat，其格式如下图所示，一个监测点坐标占一行。

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显示在“过程展示”页面中。

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

4. 结果展示

求解器执行中可以在“过程展示”页面查看船体及桨叶表面网格，以及计算得到的桨叶推力系数KT随迭代次数的变化。如下图所示。

当求解器执行结束后，可在“后处理”页面中查看本次虚拟试验的结果，试验结果可分为以下几类：

   4.1 虚拟试验报告

可以点击红色字体标出的“试验报告”，可以直接打开，也可以直接下载，如下图所示。

   4.2 二维曲线

在二维曲线里可以选择查看非定常（无空泡）计算及空泡计算结果。

    4.2.1 非定常计算结果

点击“非定常”按钮，选择推力曲线和非定常压力曲线，同时选择相应的监测点，即可显示非定常（无空泡）计算下的桨叶推力曲线及监测点脉动压力。如下图所示。

    4.2.2 空泡计算结果

点击“非定常”按钮，选择空泡形态和一阶叶频、二阶叶频，同时选择相应的监测点，即可显示空泡计算下的桨叶空泡形态及预报实船空泡脉动压力一阶叶频和二阶叶频幅值。如下图所示。

1. 参考文献

H. Versteeg，《An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method》

Joel H.Ferziger，《Computational Methods for Fluid Dynamics》

F. Moukalled，《The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics: An Advanced Introduction with OpenFOAM and Matlab》

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Kunz, R.F., Boger, D.A., Stinebring, D.R., Chyczewski, T.S., Lindau, J.W., Gibeling, H.J., Venkateswaran, S., & Govindan, T.R. (2000). ‘A Preconditioned Navier-Stokes Method for Two-Phase Flows with Application to Cavitation Predication.’ Computers and Fluids 29, pp. 849-875.

Li,D-Q and Grekula, M. (2008). ‘Prediction of Dynamic Shedding of Cloud Cavitation on a 3D Twisted Foil and Comparison with Experiments.’ Proceedings of the 27th ONR Symposium on Naval Hydrodynamics, Seoul, Korea.

Merkle, C. L., Feng, J. & Buelow, P. E. O. (1998). ‘Computational modeling of the dynamics of sheet cavitation.’ Proceedings of the Third International Symp. on Cavitation, CAV '98, Grenoble, France.

M. Maksoud, Numerical and experimental study of cavitation behaviour of a propeller, STG Sprechtag Kavitation; Hamburg, Germany, 2003

T. Watanabe, Kawamura, Takekoshi, Maeda, S.H. Rhee, Simulation of steady and unsteady cavitation on a marine propeller using a RANS – CFD Code, in: Fifth International Symposium on Cavitation (CAV 2003); 2003 November; Osaka, Japan, 2003.

2. 研究团队

世界主要船模水池试验室如MARIN，HSVA，SSPA和中国的CSSRC是研究船舶螺旋桨空泡的主要研究团队。

3. 研究进展

船舶螺旋桨空泡的粘流数值模拟，目前主要针对片空泡，其基本的求解方法已经形成，关注的重点是如何提高模拟的精度和提高计算效率。

螺旋桨空泡数值水池研究国际上未见开展，国内主要是CSSRC做了开创性的工作。

4. 实用工具

计算流体力学通用软件有ANSYS FLUENT/CFX,STAR CCM+等

开源计算流体力学代码有OpenFOAM等