[發明專利]一種對標物理水池模型試驗的船舶阻力虛擬試驗平臺

有效

• 申請號: 202110753334.6
• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113361018B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 朱鋒;李勝忠;趙峰
• 申請（專利權）人: 中國船舶科學研究中心
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06F119/14;G06F113/08
• 代理公司: 無錫華源專利商標事務所(普通合伙) 32228
• 代理人: 聶啟新

1.一種對標物理水池模型試驗的船舶阻力虛擬試驗平臺，其特征在于，所述船舶阻力虛擬試驗平臺的工作流程按照物理水池模型試驗的工作流程執行，包括七個執行模塊：

虛擬試驗工程模塊，用于新建或載入虛擬試驗工程；

實船主尺度信息輸入模塊，用于輸入目標實船的主尺度參數，所述主尺度參數包括垂線間長和方形系數；

虛擬試驗方案設計模塊，用于根據試驗要求制定虛擬試驗方案，生成虛擬試驗對象模型；所述虛擬試驗工程模塊、實船主尺度信息輸入模塊和虛擬試驗方案設計模塊對標物理水池模型試驗的試驗模型準備工作流程，包括明確試驗對象、制定試驗方案；

數值船模加工車間模塊，用于對所述虛擬試驗對象模型進行船體結構化網格的自動生成；所述數值船模加工車間模塊對標物理水池模型試驗的試驗模型準備工作流程中的加工木質船模；

虛擬試驗及過程監控模塊，調用數值計算參數資源利用基于RANS方程的基礎求解器執行阻力性能粘流數值計算，同時對虛擬試驗過程中的物理量進行可視化監控并展示；所述虛擬試驗及過程監控模塊對標物理水池模型試驗的開展水池模型試驗的工作流程，包括進行阻力試驗、采集原始試驗數據和影像資料；

虛擬試驗數據處理及報告自動生成模塊，對虛擬試驗結果進行數據自動處理，輸出所述虛擬試驗對象模型和目標實船的阻力性能數值，并自動整理出虛擬試驗報告；

虛擬試驗可視化情景再現模塊，基于VR可視化技術重現整個虛擬試驗過程場景及其三維流場全景透視；

所述七個執行模塊的工作流程依次串聯，所述執行模塊依據知識封裝原則開展船舶阻力虛擬試驗；

其中，所述根據試驗要求制定虛擬試驗方案，包括：

在所述虛擬試驗方案設計模塊中輸入模型縮尺比、試驗水溫、設計航速以及航速段范圍，所述航速段范圍的添加格式為V_Smin-V_Smax-ΔV_S，其中V_Smin表示最小航速，V_Smax表示最大航速，ΔV_S表示航速間隔；依據模塊的知識封裝自動計算所述虛擬試驗對象模型的雷諾數，表達式為：

其中，Re為所述雷諾數，V_s為所述設計航速，Lpp為所述垂線間長，ν為所述試驗水溫下的試驗流體的運動粘性系數；

根據所述雷諾數判斷輸入的所述模型縮尺比是否小于等于最大閾值，若不滿足條件則平臺自動彈出所述模型縮尺比的最大閾值，所述模型縮尺比應滿足以下公式計算值：

其中，λ為所述模型縮尺比；

其中，對所述虛擬試驗對象模型進行船體結構化網格的自動生成，包括：

所述數值船模加工車間模塊中封裝有幾何標準化和計算網格自動生成兩種知識模塊；在所述幾何標準化中，載入船體曲面IGS文件，對文件中的船體輪廓線進行編號處理，所述船體輪廓線為描述船體曲面外部形狀的邊界線，包括甲板線、艏柱線、船底龍骨線以及構成船尾尾封板的四條輪廓線；在所述計算網格自動生成中：

先設置七條船體輪廓線的網格點數和網格疏密度，包括：所述甲板線和船底龍骨線的網格點數按照公式N_1/3＝300*C_B設置，其中C_B為所述方形系數，所述船尾尾封板的四條輪廓線的網格點數設為定值N_4/5/6/7＝60，所述艏柱線的網格點數設為定值N₂＝120；對所述甲板線和船底龍骨線的首尾兩端的網格點進行加密處理的方法相同，包括：在所述甲板線上，設分別與甲板線首端和尾端位置最近的一點為第一網格點，所述甲板線首端和尾端與相應的第一網格點的距離為3×10^-3，其余網格點則按照從兩端的第一網格點向中心網格點的方向，相鄰網格點間的距離等比例變大布置；對所述艏柱線和與其相對平行的船尾尾封板的兩條輪廓線在水線附近的網格點進行加密處理的方法相同，包括：在所述艏柱線上，設與水線位置最近的對稱兩點為第二網格點，水線與所述第二網格點的距離為1×10^-3，其余網格點則按照從所述水線分別向艏柱線兩端的方向，相鄰網格點間的距離等比例變大布置；所述船尾尾封板的其余兩條輪廓線的網格點均勻布置；

再設置第一層網格與船體壁面的法向距離、船體網格外拓生長率和外拓步數，所述法向距離的表達式為：y＝8.721×y⁺×Re^-0.9286，其中，Re為雷諾數，y⁺與航速段范圍有關，取值范圍為[35,120]，且最低航速對應35，最高航速對應120，若最高航速的y⁺值大于120，則平臺自動提示速度范圍太大，不滿足設計要求；

再將邊界條件和設置信息輸入至船體網格求解器輸出貼體網格及邊界條件信息文件，所述邊界條件包括船體壁面為無滑移邊界、船中縱剖面為對稱面、外拓網格的30層為重疊網格信息交換面；

最后將所述貼體網格及邊界條件信息文件與背景網格進行合并，獲得滿足計算要求的船體結構化網格，其中：所述背景網格為矩形，長度方向的網格點數設為定值180，寬度方向的網格點數設為定值60，高度方向的網格點數設為定值80；在所述背景網格的長邊上，設與長邊第一端位置最近的一點為第三網格點，與長邊第二端位置最近的一點為第四網格點，所述長邊第一端與所述第三網格點的距離為7×10^-2，所述長邊第二端與所述第四網格點的距離為1×10^-1，其余網格點則按照從所述第三網格點向第四網格點的方向，相鄰網格點間的距離等比例變大布置；在所述背景網格的寬邊上，設與寬邊第一端位置最近的一點為第五網格點，所述寬邊第一端與所述長邊第一端相交，所述寬邊第一端與所述第三網格點的距離為1×10^-2，其余網格點則按照從所述寬邊第一端向寬邊第二端的方向，相鄰網格點間的距離等比例變大布置；在所述背景網格的高線上，設與水線位置最近的對稱兩點為第六網格點，水線與所述第六網格點的距離為1×10^-3，其余網格點則按照從所述水線分別向高線兩端的方向，相鄰網格點間的距離等比例變大布置；

所述虛擬試驗及過程監控模塊中封裝有配置數值計算參數資源知識模塊，包括設置湍流模型、自由液面捕捉方式、流動和控制參數、時間差分格式、壓力求解方法、運動求解方法、網格運動差分精度、運動自由度及其運動阻尼值；所述虛擬試驗對象模型的運動采用自由模的形式，運動自由度包括船舶的縱傾和升沉運動，獲得所述虛擬試驗對象模型在不同航速下的縱傾角和升沉值；所述湍流模型采用SSTk-ω，自由液面捕捉方式采用Level-Set法，每個CPU核數自動分配計算單元、單塊網格量不大于8萬，采用2階時間差分格式，泊松方程的壓力項系數值為0.7，線性運動阻尼為50，運動求解方式采用8點濾波顯示求解，網格運動差分采用一階精度。