1.功能介绍

本产品主要用于规则波和不规则波中船舶上浪砰击载荷预报，适用于集装箱船、散货船和油船等三大主力船型，也适用于军船等船型。核心求解器采用大涡模拟和直角网格算法，操作简单易用，采用MPI并行计算，与当前主流商业软件相比，计算效率更高。

主要功能有：
    （1）高海况下船舶上浪砰击载荷和大幅运动预报
    （2）可实现船舶上浪砰击过程流场和砰击压力精细计算。

2.产品特色

   （1）本产品核心求解器采用大涡模拟和直角网格算法
   （2）采用MPI并行计算，与当前主流商业软件相比，计算效率更高。

3.运行环境和效率

针对某集装箱船上浪砰击载荷，网格数量426万，完成20个遭遇波浪周期计算，每个遭遇波浪周期耗时47.36核时，计算效率比当前主流粘流商业软件更高。

4.试验精度

说相对于国际商业软件Star-CCM+，计算精度相当；相对于标模试验，砰击压力动态平均幅值计算误差小于20%。

（一）案例一14000T集装箱船虚拟试验

  1.1 案例名称

案例试验-14000T集装箱船虚拟试验

  1.2 案例描述

试验半潜平台为中国船舶重工集团公司第七〇二研究所的982半潜式平台标模。在平台垂荡自由衰减试验中，通过给定平台一个垂荡初始位移，使其在静水中自由运动，在运动中监测平台垂荡自由衰减时历曲线，由时历曲线后处理可得平台垂荡自由衰减运动固有周期和阻尼系数。

  1.3 试验对象

14000 集装箱船，船模缩尺比为1:75，船模编号：S01514S（项目编号1578）,船模垂线间长为 4.68m。

  1.4 试验方法

用上浪砰击网页版进行计算，波长船长比为1.2，航速23kn(对应模型尺度为1.365m/s)，入射波周期为1.89s。

  1.5 试验结果

和试验值及商业软件计算值对比较为接近

  1.6 性能比对

与试验值的对比，可以看出虚拟试验系统的模拟值与物理模型试验测试结果接近。与商业软件STAR-CCM+模拟值对比，可以看出虚拟试验系统的模拟值与现有商业软件的计算结果也十分接近。本虚拟试验系统的模拟值具有很高的精度，可以被应用到船舶上浪砰击的计算中来，也可以有效预报船舶波浪中的大幅运动。

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绿色字体标出的字样“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“船舶甲板上浪”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“船舶甲板上浪”为例，介绍一下各种类型参数的录入方式。

2.1 网格导入

点击网格导入按钮，显示如下图显示画面。

目前只支持直接上传网格文件，如下图所示。

2.2 船体参数

点击船体参数按钮，显示如下图所示页面，可以进行与船型相关参数的设置。按照所提示的信息输入正确的船型参数。

2.3 环境输入

点击环境输入按钮，可进入如下图所示页面，可以对环境输入的参数进行设置，以下所有参数都需要用户手动输入。

2.4 计算控制

点击计算控制按钮，可进入如下图所示页面，可以对相关系数等参数进行设置。

2.5 输出控制

点击输出控制按钮，可进入如下图所示页面，可以对输出控制参数进行设置。

3. 计算求解

全部参数正确设置后，可启动求解器进行计算。如下图所示黄色方框内，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，可切换到试验结果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几类：

4.1 船舶运动曲线

可以看到船舶六个自由度运动的时历曲线，如下图所示

4.2 船舶受力曲线

可以看到船舶六个方向的受力时历曲线，如下图所示

4.3 压力测点时历曲线

可以看到每个压力监测点的时历曲线，如下图所示

4.4浪高仪时历曲线

可以看到每个浪高仪的时历曲线，如下图所示

1. 参考文献

[1] Carrica P.M., Wilson R.V., Noack R., Stern F., Ship motions using single-phase level set with dynamic overset grids. Computers & Fluids, Vol.36: 1095-1111, 2007.

[2] Sadat-Hosseini H., Wu P., Carrica P.M., Kim H., Toda Y., Stern F., CFD verification and validation of added resistance and motions of KVLCC2 with fixed and free surge in short and long head waves. Ocean Engineering, Vol.59: 240-279, 2013.

[3] Dommermuth D.G., Oshea T.T., Wyatt D.C., Ratcliffe T., Weymouth G.D., Hendrikson K.L., Yue D.K.P., Sussman M., Adams P, Valenciano, M., An application of Cartesian grid and Volume-of –Fluid methods to numerical ship hydrodynamics.The 9th International Conference in Numerical Ship Hydrodynamics, Michigan, USA, 2007.

[4]Hu C., Kashiwagi M., Sueyoshi M., Improved towards high-resolution computation on strongly nonlinear wave-induced motions of an actual ship. The 27th Symposium on Naval Hydrodynamics, Seoul, Korea, 2008.

[5] Yang K.K., Nam B.W., Lee J.H., Kim Y., Numerical analysis of large-amplitude ship motions using FV-based Cartesian grid method. International Journal of Offshore and Polar Engineering, Vol.23(3): 186-196, 2013.

[6] Greco M., Bouscasse B., Lugni C., 3-D seakeeping analysis with water on deck and slamming. Part 2: Experiments and physical investigation, Journal of Fluids and Structures, 33 (2012) 148–179

[7] Monaghan J.J., Simulating free surface flows with SPH, J. Comput. Phys., 110 (1994), 399-406

[8] Rudman, Murray; Cleary, Paul W.,Rogue wave impact on a tension leg platform: The effect of wave incidence angle and mooring line tension, Ocean Engineering, : 2013, 61: 123-138

[9] Oger G., Le D. Touzé, Guibert D., de Leffe M., Biddiscombe J., Soumagne J., Piccinalic J.G., On distributed memory MPI-based parallelization of SPH codes in massive HPC context, Computer Physics Communications, 2016, 200: 1-14

[10] Marrone S., Bouscasse B., Colagrossi A., Antuono M., Study of ship wave breaking patterns using 3D parallel SPH simulations, Computers&Fluids, 2012, 69: 54-66

[11] Le Touzé D, Marsh A, Oger G, Guilcher P M, Khaddaj-Mallat C, Alessandrini B, Ferrant P. SPH simulation of green water and ship flooding scenarios. Journal of hydrodynamics, (2010), 22(5), supplement:231-236.

[12] 廖康平，马庆位，段文洋，胡长洪，基于直角网格CFD方法的船舶甲板上浪砰击研究，第十四届全国水动力学学术会议暨第二十八届全国水动力学研讨会，2017-08-08，中国吉林长春。

[13] 龚丞，朱仁传，缪国平，范菊，基于CFD的高速船甲板上浪载荷的工程计算方法，船舶力学，第18卷第5期，2014年。

2. 研究团队

哈尔滨工程大学 段文洋等

上海交通大学 万德成 朱仁传

浙江大学 赵西增等

日本九州大学 胡长洪等

挪威科技大学 Greco等

3. 研究进展

关于上浪问题的理论研究方法主要包括概率统计与线性水动力理论结合的方法，浅水近似方法，非线性势流边界元方法，CFD数值模拟技术等。

对于波浪较小的情况，基于线性水动力学的概率分析方法可较好满足甲板上浪结果的预报。然而实际海况中的甲板上浪一般都是由大波浪引起的。在这种情况下概率分析方法难以给出上浪概率的准确模拟。为了满足工程应用的需求，基于浅水近似，人们发展了溃坝理论、越浪理论和洪水波理论以及描述自由面大变形的边界元方法。

相对于势流解析的上浪砰击载荷模型，为进一步提高计算精度，边界元方法逐渐应用到甲板上浪问题研究中。随着CFD理论的不断深入，计算机硬件水平的不断提高，基于N-S方程的CFD方法在波浪与物体的相互作用方面也取得了较大进步。该类方法能够考虑粘性的影响，借助强大的自由表面捕捉方法，可对波浪的翻转、破碎问题进行模拟。Greco等（2002）采用有限差分方法结合VOF技术模拟三维甲板上浪和砰击问题；Rosetti等（2019）利用CFD方法模拟了某FPSO船体剖面横浪中的甲板上浪事件，将甲板上典型位置的上浪冲击力载荷、上浪高度等同物理模型试验进行对比，数值预报精度总体上令人满意。

针对船舶上浪砰击载荷，国内学者采用线性水动力学概率统计模型、势流运动理论与浅水波理论或者CFD数值模拟相结合、物理模型试验等开展研究，就上浪砰击载荷模拟方法和模型试验测试技术取得了很多研究成果。

贺五洲、戴遗山等（1996）基于概率统计方法与线性水动力理论结合的方法，从工程应用的目的出发，提出了甲板上浪发生概率、每小时甲板上浪平均次数、甲板上水量等一系列问题的预报方法。朱仁传和斎藤公男（2003）结合洪水波理论与越浪理论对无舱盖船舶甲板上浪水量和船舱进水量进行大量数值模拟计算，然后进行无舱盖船舶模型试验进行验证，对比数值计算和模型试验结果，表明理论计算和试验结果基本吻合。

在数值模拟方面，万德成(2014)等采用无网格MPS方法对三维Wiggly船型的甲板上浪问题进行模拟。郑兴等(2015)采用无网格SPH方法对S175船型的甲板上问题进行模拟计算。梁修峰等（2010）、龚丞等（2014）、肖龙飞等（2011）等人都基于FLUENT软件，结合动网格技术、VOF技术和造波消波功能再现了甲板上浪过程，并用模型试验结果验证了数值模拟方法的可行性。Qin Hao等（2017）基于粘流CFD技术建立二维数值波浪水池，开展了不规则波引起的上浪现象和与甲板结构的流固耦合研究。廖康平，段文洋等（2017）采用自主开发的直角网格CFD方法针对顶浪中集装箱船大幅运动和上浪砰击载荷开展了模拟，数值结果同物理模型试验结果符合较好。

3. 实用工具

STAR-CCM+、OpenFOAM、FLUENT