效率提高1000倍！全球首座数值水池彰显“大工至善”实力

在学校第四次党代会和65周年校庆到来之际，《工学周报》开设专栏“厉害了，我的哈工程”，对三次党代会以来学校服务国家需求、引领行业发展等标志性成果进行盘点和展示，哈工程官微将陆续转载这些报道，以期鼓舞师生、凝心聚力、振奋精神，为学校四次党代会和65周年校庆献礼。

中国的，世界的

——全球首座数值水池引领数字造船新业态

2017年12月5日，由学校联合中国船舶重工集团第702研究所牵头研发的全球第一座名副其实的数值水池——中国数值水池虚拟试验系统V1.0于2017中国国际海事技术学术会议和展览会开展首日，在上海新国际博览中心举行了全球发布会。

这一革命性技术将有力推动数字造船领域迎来历史性变革，催生新业态，成为一项持续发展与积累的宏大工程，为船舶与深远海装备的优化和智能设计以及智能航行提供新手段，助力海洋强国战略和“中国制造2025”。

打造中国数值水池10年规划

为什么要做中国数值水池？

面向“中国制造2025”国家战略需求，为实现“海洋工程与高技术船舶率先达到制造强国”目标，将经过10年左右、分三个阶段的研究开发和工程应用，在2025年实现精细模拟数值水池系统，为中国船舶与海洋工程装备智能制造提供技术支撑。从木质船到钢质船，船舶设计进入了其作为科学的时代。100多年前，英国建造了世界上第一个物理水池，通过绳索拉动船舶模型，来模拟和换算海洋结构物与海水之间的相互作用。长期以来，船舶与海洋结构总体技术的基础——水动力性能研究，主要都是依靠物理水池模型试验实现的。

物理水池的建造费用要达到几十亿，一天的试验费用要达到几万甚至十几万；另外，需要将船模状态参数、海洋环境参数等因素排列组合逐个进行试验，试验周期太长，还会因为船模的缩尺比而影响试验结果的精度。面对绿色、安全等海事新规范对于船舶设计的高要求和深远海装备设计面对的恶劣海洋环境挑战，投资大、周期长、面积有限的物理水池，已不能适应时代与技术的发展。船舶与海洋工程装备的研发，急需由物理水池试验向虚拟仿真试验转变，而数值水池技术，则是实现这一转变最重要的支撑技术。

数值水池是海洋装备水动力学数值模拟智慧系统的简称，利用先进的水动力学理论模型和精细数值算法，系统化编制的高效计算软件，结合先进的计算机和互联网条件，在不同的海洋环境中，进行船舶与海洋结构物流体动力响应过程的虚拟实验，经验证后，满足船舶与海洋工程领域研究、设计及工程应用的要求。相比于物理水池试验而言，采用数值方法进行虚拟试验的数值水池成本低、响应快，能实现智能化最优设计以及模拟实尺度船舶和真实海洋。以我校的海洋平台运动虚拟试验和702所的船舶性能虚拟试验为基础，为了更好地规划中国数值水池的发展，2015年5月26日，我校牵头，联合中船重工第702研究所完成了工信部“数值水池顶层研究”项目，制定了中国数值水池10年研究发展规划。2016至2019年，是数值水池创新专项的第一阶段，所有既定目标在超前、有序推进。

目前，已完成“中国数值水池软件系统”1.0版本一套及使用指导性文件、船海结构典型标模5套、物理水池验证数据库、软件试用示范和商业化推广、研究报告、相关论文等。

扛起国际船舶领域的创新大旗

为什么将中国数值水池虚拟试验系统V1.0称为全球第一座名副其实的数值水池？

国外的相关数值模拟软件对操作人员要求极高，只有少数专家才能操作并得出正确结果。而中国数值水池，融合了船舶与海洋结构物设计、计算流体力学和计算机软件专家的智慧，最大限度地降低了人为因素对操作和计算结果的影响，可以成为广泛使用的、获得船舶水动力性能的新手段。

2016年，工信部下达批复，数值水池创新专项（一期）开始研制，经费2.6663亿。学校与中船重工第702研究所、上海船舶运输科学研究所、中船工业第708研究所、大连理工大学和上海交通大学作为主要参研单位，共同构成了代表我国数值水池研究前沿的国家队。

2017年12月5日，全球首座数值水池——中国数值水池虚拟试验系统V1.0通过中国船级社和法国BV船级社的国内、国际双认证，正式面向全球发布。该系统经过了集装箱船、散货船、油船、半潜式平台的国际标模，600余条大子样物理水池试验数据、40条实船水动力测量试验数据的验证，满足船舶与海洋工程领域研究、设计及工程应用的实际需要。

段文洋教授作为数值水池首席科学家、总设计师，带领整个团队扛起了国际船舶领域的创新大旗。我校主要负责数值水池创新专项（一期）13个项目中的5个项目——软件系统集成与相关标准研究、求解器的总体设计与开发、船舶耐波性子系统研发、海洋平台运动和载荷子系统研发、智能系统先进计算与互联网服务平台研究。目前，已经取得了船舶波浪增阻虚拟试验系统、半潜式平台作业海况运动与载荷虚拟试验系统等一枝独秀的科研成果。

——满足绿色安全海事法规新要求，采用全球独创的三维势流泰勒展开边界元法，首次推出船舶波浪增阻虚拟试验系统，在同样精度下，比现有商用软件效率提高1000倍

——聚焦深水半潜式平台破碎波浪砰击载荷精细模拟的挑战，在世界上首次实现了亿级网格量的大规模高效并行计算，为半潜式平台的安全性设计提供了精细模拟的新手段

——针对新设计船舶性能快速预报需求，开发出基于模型试验数据库的快速自航虚拟试验系统、操纵性快速虚拟试验系统，以及螺旋桨空泡模拟快速虚拟试验系统

——针对实际海域的海洋环境模拟需要，开发动谱平衡大尺度海洋风浪谱虚拟试验系统

——开发了VIV虚拟试验系统

……

 “我们目前在数值水池方面取得的研究成果，在国内领先，在国际上有特色，可谓是一枝独秀，但要想获得全世界的认可，还需要进一步的验证和宣传”，段文洋教授认为，“打造数值水池，是学术界的百年难题。面对国家和行业需求，我们要勇于担当。未来的路，我们要走出中国特色，走出‘大工至善’的水平”。

用“中国实力”聚集国内外船海优势资源

为什么全球首座数值水池能够诞生在中国？

中国数值水池创新专项，是国内第一次组建这么多参研单位形成这么大的团队共同科研攻关，集合了全国的优势力量，代表了我国相关领域的最高水平。各个团队之间精诚合作，互相公开源代码，继而进行总体集成。项目的顺利实施，项目管理和团队领导的因素要占50%以上。这，也是其他国家不能研发数值水池的重要原因之一，因为他们缺乏深度合作和有效管理。

欧盟VIRTUE项目研发了船舶拖曳软件、推进器空泡软件、船舶耐波性软件、船舶操纵性软件；2012年法国启动了儒勒·凡尔纳研究计划，其中第一个研究项目就是面向海事和海洋可再生能源的新一代数值水池研发；美国爱何华大学研发了CFDship-IOWA船用软件，等等。数值水池在近年内迅速成为船舶与海洋工程的学科前沿热点，以及当前世界造船强国发展的重大基础技术，有着系统化、模块化、标准化、智能化四大特点，以及算法难、集成难、并行难、验证难四大难点。在项目研发的过程中，专项的技术协调与组织管理工作最为关键，具有非常强的挑战性。

夏桂华教授作为管理委员会主任、项目总负责人，带领各单位密切协作，确保了专项研究工作的顺利完成。2016年3月，《数值水池创新专项（一期）项目管理工作实施细则》发布试行，并不断修改完善。该实施细则适用于专项立项论证、组织实施、检查评估、验收鉴定、档案归档、奖励申报、科技推广等的全过程管理，发挥了决定性的作用。在研制过程管理方面，2016年5月，专项13个课题组在哈尔滨签订了技术协议，制定了知识产权保护与管理办法。管理委员会还多次组织召开国内外专家咨询会、工业用户咨询会、专项工作会议；设立了百度词条“数值水池”；并建立了中英文服务网站

数值水池技术是船舶与海洋工程未来重要的基础技术和学科前沿，其研发不是一个国家一个单位一个人能完成的，需要发挥全世界的智力资源优势和国内外专家的特长，大家群策群力，集思广益，协同创新。

2014年，在深海工程与高技术船舶协同创新中心的推动下，学校两次召开数值水池顶层研究国际专家咨询会。50余位专家齐聚一堂，为我校牵头承担的工信部高技术船舶科研项目数值水池顶层研究项目把脉。2016年6月，法国船级社、法国南特中央理工学院、702所来校参加ICNAME会议，签订了数值水池项目的四方合作协议。2017年3月，数值水池项目组前往法国南特中央理工学院，召开中法数值水池合作交流会。2017年9月，在青岛召开的ICNAME国际会议上，学校和702所代表中国数值水池与中国船级社、法国船级社签订合作协议。2017年12月5日，在数值水池全球发布的当天，学校举办了中国数值水池上线新闻发布暨第一届数值水池国际研讨会……

在具体合作项目上，法国船级社对船舶运动虚拟试验系统、船舶波浪增阻虚拟试验系统进行了精度验证；美国休斯敦TechnipFMC公司提供了程序模块，参加系泊模型和波浪模型合作研究，并就新研制深海平台进行精度对比研究；美国加州大学伯克利分校加入非线性波浪环境流场计算的程序对比验证；数值水池项目组参加挪威Marintek水池牵头的JIP项目，获得半潜式平台物理试验的完整试验结果，对数值水池进行精度验证，通过JIP项目，支出50万获得了需要1000多万才能完成的完整试验数据；日本九州大学加入数值水池研究，开展直角网格CFD算法和验证工作方面的合作研究……只有站在了学术前沿，才有话语权，全世界才会主动关注我们、认可我们。国家的综合实力在发展，学校船海学科的实力和国际影响力也在不断增强。现在，很多国际名校和船海领域的顶尖专家都主动来校寻求合作。去年，学校引进的两位“青年千人”专家，就是由国际知名专家推荐加盟段文洋教授团队的。

结语

经过4年的项目论证、规划、研发、验证，中国数值水池创新团队已经建立，中国数值水池管理体制与机制已经构建，中国数值水池标准与规范已经形成，“数值水池第一期”目标“中国数值水池虚拟试验系统V1.0”已经发布。面对中国数值水池未来的发展，段文洋教授觉得责无旁贷，“我们将快马加鞭，只争朝夕，不断突破制约船舶与海洋工程领域的关键知识和技术瓶颈，推动中国数值水池走向世界，引领数字造船服务新业态！”

    哈尔滨工程大学    

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撰文 | 贾天添

编辑 | 李佳纬

责编 | 霍萍

审核 | 李凯

信息来源 | 《工学周报》