水動力的案例
【專題研究】美國海軍艦船的水動力設計與優化簡介
據了解，過去三十多年，CFD在船舶水動力領域的應用取得了諸多發展與進步，從最初解決動量方程等式、邊界層、半拋物線雷諾平均（RANS）方程發展到全雷諾平均方程、六自由度（6DOF）運動預報以及運動控制器。目前船舶水動力學計算的最新研究方向是在百億網格上對多尺度、多物質和多相位的船舶流體大渦模擬進行百億億次的計算。船舶水動力計算方法快速發展，包括建模、數值方法、高性能計算方法，這些計算方法的應用模型包括水動力、氣流和兩相流體求解器、紊流模型、界面模型、運動求解器、推進模型、海況或波浪模型等。水動力計算技術和方法的充分結合，促進了船舶水動力學在實船上的應用。
四、思 考
由于海軍艦船的要求與限制條件遠高于民船，除考慮壽命周期成本以外，其他方面比如螺旋槳振動和航向穩定性有時可能也屬于優先考慮因素，一些常規的首位形狀可以不適用。因此有必要開發新的船形，這樣就涉及到船舶水動力設計與優化，鑒于上述可知：
（1）水動力優化工具（軟件）對于水動力研究具有非常重要的作用和影響，為更好地開展水動力研究，建議國家和大型造船集團進一步開展和完善船舶核心和主流設計軟件的自主開發與技術引進的長期戰略規劃，加強與國際國內軟件企業的合作，爭取短期內實現軟件的二次開發應用，在長期階段實現核心軟件的國際合作開發和自主開發。
（2）從企業和研究機構的角度來看，建議研究機構更加注重水動力等基礎性能研究和工程應用，健全技術創新機制，培育具有國際視野和涉足前沿技術的高端技術人才。注重前沿技術、理論方法的跟蹤與研究。
此外，根據美國海軍的新船型的研發歷程可知，企業加強與海軍研發機構的聯系有助于技術的創新，促進船舶水動力發展。
（3）從具體的產品類型，短期內可以選擇對船型局部進行優化，包括首尾等，選擇某一類或幾類艦型做試驗，積累經驗后再判斷是否適合推廣。
展開 水動力仿真軟件：國產可控，助力水利行業“四預”工程
當前，水動力相關的研究與工程應用愈發依賴先進的技術手段。積鼎水動力仿真軟件，作為一款國產自主可控的專業且強大的數值模擬仿真工具，已在眾多領域嶄露頭角。在水利和水務行業，積鼎水動力仿真軟件不僅可為水利工程設計、防洪減災、水資源管理等領域提供的技術支持，更為水務行業的精細化管理帶來高效的解決方案。
積鼎水動力仿真軟件：助力水利水務行業設計及運維
1、高效預測，防患于未然
洪水、潰壩、泥石流等自然災害是水利行業面臨的重大挑戰之一。積鼎水動力仿真軟件通過先進的水動力模型，能夠對河湖洪水進行精準預測、預警、預演和預案制定。該軟件動態模擬河流水位、流速等關鍵參數的變化，為防洪減災提供科學決策支持。
2、全面防護，守護中小流域山洪安全
中小流域山洪災害具有突發性強、破壞力大的特點，通過在中小流域山洪“四預”平臺中集成積鼎水動力仿真軟件，能夠全面、準確地模擬和預測中小流域山洪災害的發生、發展和影響，可集合“預報、預警、預演、預案”于一體，為防汛減災工作提供了精準的數據支持。
3、智能管理，提升水務運行效率
在水務行業，高效的運行管理是保障供水安全和穩定的關鍵。積鼎水動力仿真軟件水務為企業的精細化管理提供了強大的技術支持。通過高精度的三維水動力模型軟件，實現了水務設施設備的三維可視化，能夠實時監測設備運行狀態，從而優化工藝流程，提高運行效率。
4.深度治理，優化水環境質量
水環境質量的改善是水利與水務工作的另一個重要目標。基于積鼎水動力仿真軟件搭建的水環境治理平臺集成了高效的水質模型，能夠實時捕捉水質變化動態，精確描繪污染物在水體中的遷移轉化路徑。不僅深度剖析水環境現狀，還前瞻性地預測水質發展趨勢，為治理決策提供堅實的數據支撐。
展開 【CAE案例】基于二維水動力仿真的大陸架建模
07 小結
本文主要講述了IMDC的工程師利用二維水動力通用仿真軟件建立二維水動力模型，對比利時海岸帶的水位和流速進行了模擬計算，并與TOPEX的實測數據與Xaver氣旋期間Oostende和de Wandelaar站點的實際測量結果進行了對比。
IMDC的研究表明，使用二維水動力通用仿真軟件建立的大陸架模型，不僅可以很好地模擬常況下由潮汐波引起水位變化，更能夠很好地預測極端氣候條件下海岸帶的水位變化情況，具有相當的準確性和可靠性。
文章來源：遠算云仿真
基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能數值研究
這是因為當進速增大時，螺旋槳水動力螺距角減小，由體積力源所模擬的槳葉升力這一水動力效應減弱，進而導致槳?導管耦合水動力效應減弱，從而使得因模擬耦合效應失真而產生的誤差也隨之減小。
由表5可見，在各來流速度（不含2kn）下，改進體積力法1和改進體積力法2的前進合力的平均相對誤差絕對值分別為1.86%和11.65%，較Goldstein分布方法的平均相對誤差絕對值（30.28%）大幅降低。與敞水工況相似，改進體積力法1于艇后仍有較高的精度，優于方法2。總而言之，改進體積力法整體上較好地實現了對艇后導管螺旋槳水動力數值的模擬，其計算精度均較Goldstein分布方法有較大的提升，也優于傳統螺旋槳體積力法，適用于艇體?導管?體積力耦合水動力的數值模擬。
上節提到，在敞水工況下，當進速系數較大（J?0.7）時，采用體積力法模擬導管螺旋槳推力誤差較大（表4），從圖12（a）、圖12（b）和表5可以看出，在艇后工況下，高來流速度（2kn）時亦如此。現將就該問題予以探討。在高進速系數（進速系數大于導管推力變為阻力時對應的進速系數）下，螺旋槳升力會減少，槳?導管之間的“動水動力效應”隨之降低。為便于理解，假設此時螺旋槳停止轉動，靜止于導管內，承受著高速來流的沖擊。體積力法以體積力源代替槳葉，模擬的是螺旋槳的升力效應，而高進速時，槳葉充當的更多的是阻力的角色，槳?導管之間更多地體現為“靜水動力效應”。現行的體積力法暫無法模擬槳的阻塞效應，為此，郁程等[10]針對體積力法中槳葉的阻塞效應進行了修正研究。再者，當進速增大時，需要捕捉導管渦脫落等流動現象以精確評估導管的水動力特性，這相當于對大攻角水翼的仿真，而本文所用RANS方法難以勝任。
但是，導管螺旋槳一般被設計用于重載工況（低進速系數），在重載工況下，推力較大、效率較高。
展開 
第二十九屆全國水動力學研討會在江蘇成功舉辦
第二十九屆全國水動力學研討會于2018年8月-26日在江蘇省鎮江市召開。本次會議由《水動力學研究與進展》編委會、中國力學學會、中國造船工程學會、江蘇大學聯合主辦，由《水動力學研究與進展》編輯部、江蘇大學國家水泵及系統工程研究中心、中國力學學會水動力學專業組、中國船舶科學研究中心水動力學重點實驗室、上海市船舶與海洋工程學會船舶流體力學專業委員會承辦，由哈爾濱工程大學期刊社、奇石樂儀器儀表科技(上海) 有限公司、江蘇大學鎮江流體工程裝備技術研究院協辦。來自40多個單位的200多位代表參加了本次會議。
8月25日上午，研討會開幕式在江蘇大學學術報告廳召開。編委會副主任中國船舶科學研究中心顏開研究員主持了開幕式，編委會主任、中國船舶科學研究中心吳有生院士致開幕詞，江蘇大學黨委書記袁壽其研究員代表東道主致歡迎詞，并向大家介紹了江蘇大學的辦學歷史、發展現狀和學科特色。在開幕式上，顏開研究員宣讀了周培源基金會批復的“周培源水動力學獎”獲獎名單，他們是四川大學許唯臨教授（一等獎）、中國船舶科學研究中心鄒明松研究員（二等獎）、武漢大學季斌副教授（三等獎）、浙江大學張凌新副教授（三等獎）；宣布了“Journal of Hydrodynamics 2018年度高被引論文獎”獲得者清華大學羅先武教授和武漢大學季斌副教授。吳有生、袁壽其、顏開、劉樺為獲獎者頒發證書和獎金。
會議期間，共有6個40分鐘的大會報告、14個30分鐘分會場邀請主題報告、110余篇15分鐘分會場報告，內容涵蓋基礎水動力學、計算流體力學、水動力學試驗與測試技術、工業流體力學、船舶與海洋工程水動力學、海洋環境與地球物理流體力學、水利水電和河流動力學等諸多方面。由海洋出版社正式出版的論文集收錄183篇全文/摘要，長達1456頁。
展開 【CAE案例】基于二維水動力仿真的大陸架建模
為了驗證二維水動力仿真模型在不受氣象因素影響情況下的有效性，工程師利用此模型進行了1年的模擬計算，得到了M2成分潮汐波的振幅與相位的時間過程，并與TOPEX的結果進行了比較。
圖3展示了二維水動力通用仿真軟件計算得到的M2潮汐波振幅的空間分布，以及計算結果與TOPEX數據的差值。結果表明，在比利時海岸帶，法國海岸的部分地區（尤其在諾曼底）和英格蘭和威爾士的西海岸（特別是在賽弗斯河口）可以觀察到明顯的潮汐現象。
TOPEX中潮汐的振幅與二維水動力仿真計算結果的差異基本小于0.5m，而在淺水與靠近海岸的區域，振幅的差異往往更大。由于在這一部分區域，二維水動力模型的分辨率更高，計算結果會比TOPEX更加準確。此外，模型的計算結果清晰表明，波羅的海附近的潮汐振幅非常小。事實上，波羅的海區域的水位變化主要是由氣象變化引起的。
圖3. 二維水動力仿真模型計算得到M2潮汐波振幅的空間分布（左圖）以及計算結果與TOPEX數據的差值（右圖）
05 Xaver氣旋的反演
Xaver氣旋是2013年12月發生的溫帶氣旋，氣旋的低壓和高風速帶來的強暴風雨在英格蘭、威爾士和比利時多個地區引起災害，造成嚴重的損失。
為了對該氣旋進行反演，IMDC的工程師使用來自GFS（全球預報系統）的空間分辨率為0.5度，時間分辨率為3h的氣壓與風速數據，并線性插值到網格上，使用二維水動力仿真進行了從2013年12月1日至2013年12月31日為期一個月的計算。
下圖展示了模型在Oostende和de Wandelaar兩個測點計算得到的水位結果與來自myOcean.eu的實測數據的對比。
展開 【CAE案例】利用三維水動力仿真優化小型水電廠進水渠道
圖4 小型水電站進水口渠道內的水位和水頭沿流線分布
小型水電站的這兩個進水口渠道案例通過使用水動力仿真數值模型，縮小對實體比例模型進行的選擇范圍。因為實體比例模型的構建和運行成本比數值模型更高。此外，數值模型用于可視化或提取其他需求變量也可以作為輔助決策的工具。
06 討論
這項工作展示了三維水動力仿真模型如何用于研究水電站進水口渠道的水力學問題。ARTELIA的工程師使用三維水動力數值模型綜合優化土木工程成本和最小化發電廠效率損失的財務風險，并使用了水力比例模型來驗證和改進數值模型的結果。
07 小結
本文主要講述了ARTELIA的工程師利用三維水動力仿真對兩個配備漁道的小型水電站項目的入流口渠道的尺寸和形狀進行了初步評估。三維水動力模型經過河流水位實際測量結果和ADCP測量結果的校驗和敏感性分析后，可以很好地模擬出入流口渠道周圍和內部的流型和流速的分布。三維水動力數值模型可以很好地用于篩選入流口渠道尺寸和形狀或其他水利工程結構的最優配置，進而減少實體比例模型的構建和運行成本，提高效率。
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展開 【技術】潛艇船首形式的水聲學和水動力學優化
本次研究的主要目的是利用高保真的 CFD 模擬和自動化的工作流程，通過優化船首形式來提高潛艇的水聲和水動力性能。
前 言
潛艇自發噪聲的來源可分為三大類。螺旋槳噪聲是當潛艇航速達到足以產生空泡時，由潛艇螺旋槳產生的噪聲。水動力噪聲包括潛艇在水中運動產生的各種噪聲源。機械噪聲是由潛艇上的推進、操縱和輔助機械產生的噪聲。水動力噪聲是主要的噪聲源，也是本次研究的主要研究對象。而潛艇模型是基于稱為DARPA SUBOFF的標準幾何模型。
本次研究利用高保真的CFD求解器 STAR-CCM + 求解流動的非定常RANS方程 和水聲學的 Ffowcs-William 和 Hawkings (FW-H)方程，開發了一個迭代設計過程，以降低水動力噪聲水平。利用CAESES軟件創建艇體的參數化幾何模型，由此，艇體的變體模型可以在搭建的自動化工作流程中被自動化的創建和利用。潛艇船首的形狀已用下列方程參數化，該方程創建了一條對稱曲線:
*參數化的對稱船首
多目標優化的目的是減少船體的總阻力以及螺旋槳槳轂后一米處產生的噪聲。所選擇的優化方法有一個使用 Sobol 算法的 DoE 初始步驟，得到的結果用作輸入，然后使用大家熟知的開放源碼 Python 庫中的LinearNDInterpolator方法建立代理模型。最后，用 NSGA-II 算法對目標函數進行求解。CAESES 軟件本身包含一個算法庫，算法有 Sobol 和 NSGA-II等。然而，LinearNDInterpolator 方法是通過 python 腳本實現的，并通過CAESES方便的特性定制功能與 CAESES 耦合。
展開 【直播】行業頂級專家帶來船舶與海洋工程水動力分析
船舶與海洋工程水動力分析
-AQWA軟件入門與提高
什么是AQWA
ANSYS AQWA作為ANSYS船舶與海洋工程行業專用仿真工具，用于計算船舶與海洋工程水動力學性能問題功能完備。可滿足桅、桁、EPSOs、TLPs、半潛水系統、停泊系統、救生系統等各種海面浮動結構的水動力學設計、分析需求。目前，AQWA已經整合到ANSYS Workbench平臺，用戶可以在workbench中建模、分網、求解與后處理。這種整合一方面使得水動力計算與結構計算可以在統一界面中完成，另一方面也可以實現不同求解器之間結果數據傳遞與模型信息繼承與共享。
課程內容
本場直播共分3講，超多課時，干貨多多，重點是免費，免費，免費！
老師還開啟了船舶與海洋工程水動力分析的線下專題課程
（點我了解線下專題課程）
第一講：目前主流商業水動力計算軟件情況介紹
直播時間：7月4日 19:00
WAMIT、AQWA、MOSES、Orcaflex以及其他軟件的介紹，包括主要應用領域、功能、軟件優劣勢等
第二講：經典AQWA建模
直播時間：7月11日 19:00
主要介紹通過經典ANSYS APDL建模和通過經典AQWA的Line plan功能建立船體模型。
第三講：經典AQWA水動力計算
直播時間：7月18日 19:00
介紹通過經典AQWA進行浮體水動力計算的流程，阻尼修正、結果查看與后處理。
展開 特別關注｜這些常規船舶水動力節能技術，誰更勝一籌？
圖8 安裝于5.7萬噸散貨船的水動力節能裝置
(2) 40萬噸超大型礦砂船
2016年3月10日，中國遠洋海運、招商局集團、工銀金融租賃有限公司與淡水河谷簽訂協議，訂購30艘40萬噸超大型礦砂船(Valemax-II)。40萬噸超大型礦砂船重點突出“綠色、環保、節能和安全”的特點，其中船舶水動力節能裝置是該型船開發的重點之一，備受船東和船廠的關注，同時也是眾多國內外節能裝置供應商的必爭項目。
中國船舶科學研究中心采用前置預旋導輪+高效螺旋槳+槳轂消渦鰭的組合式節能方案，依據一體化設計理念，實現了整體節能效果的最優。經國外第三方水池試驗驗證，以推進效率最高、節能效果最優、無空泡剝蝕風險等綜合性能最佳贏得了競標，最終贏得了全部30艘船的供貨訂單。產品自2017年8月開始陸續交付安裝，于2018年底完成全部產品交付。據測評，加裝該一體化水動力節能裝置方案(見圖9)后，每船日均可節油約5噸、年均節省燃油費約45萬美金、減少CO2排放3000余噸，經濟效益和減排效益均十分突出。
圖9 安裝于40萬噸礦砂船的水動力節能裝置
本文作者：黃國富 黃樹權 董鄭慶
文章來自：中國船檢
展開 【CAE案例】利用三維水動力模型研究模擬澤布魯日港的渦流模式
圖6 采用1m2/s的恒定水平粘滯度的模型計算結果
06 研究結論
IMDC的工程師為了研究澤布魯日港的渦旋，建立了三維水動力的模型。經過對比驗證，水動力模型的計算結果與ADCP的實際測量結果吻合度高。當一個強入流輸入港口，在高水位到達前會形成一個強射流，該射流將產生一個順時針旋轉的主渦旋和一個逆時針旋轉的次級渦旋，其中只有逆時針的次級渦旋在退潮時仍然可見。對水動力模型的敏感性分析表明，計算結果對靠近港口邊緣的河床摩擦非常敏感，且水平渦流粘滯度的變化也會導致港口內出現不同數量的渦。
07 小結
本文主要講述了IMDC的工程師使用水動力通用仿真軟件建立三維水動力學模型來對澤布魯日港港口由于潮汐產生的渦流進行了仿真計算，并與ADCP的實際測量結果進行了對比。IMDC的研究表明，三維水動力的仿真計算結果具有相當高的準確性和可靠性，可以服務于港口處產生的渦旋對港口淤積的影響研究。
格物云CAE
一款國產可控云端仿真平臺，結構、流體、水動力仿真軟件場景化模塊化，支持多格式網格導入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行計算，降低CAE使用門檻，拓展CAE應用范圍，加速工業企業研發制造數字化轉型。平臺支持云端CAE仿真生成工業APP，構建完全交互式仿真社區，快速實現行業通用經驗軟件化。
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【直播】行業頂級專家帶來船舶與海洋工程水動力分析
ANSYS AQWA作為ANSYS船舶與海洋工程行業專用仿真工具，用于計算船舶與海洋工程水動力學性能問題功能完備。可滿足桅、桁、EPSOs、TLPs、半潛水系統、停泊系統、救生系統等各種海面浮動結構的水動力學設計、分析需求。目前，AQWA已經整合到ANSYS Workbench平臺，用戶可以在workbench中建模、分網、求解與后處理。這種整合一方面使得水動力計算與結構計算可以在統一界面中完成，另一方面也可以實現不同求解器之間結果數據傳遞與模型信息繼承與共享。
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AQWA軟件入門與提高
第一講：目前主流商業水動力計算軟件情況介紹；
直播時間：7月4日 19:00
WAMIT、AQWA、MOSES、Orcaflex以及其他軟件的介紹，包括主要應用領域、功能、軟件優劣勢等
第二講：經典AQWA建模；
直播時間：7月11日 19:00
主要介紹通過經典ANSYS APDL建模和通過經典AQWA的Line plan功能建立船體模型。
第三講：經典AQWA水動力計算；
直播時間：7月18日 19:00
介紹通過經典AQWA進行浮體水動力計算的流程，阻尼修正、結果查看與后處理。
展開 【數值模擬】基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能
表 1 導管螺旋槳推力計算方法驗證
04 計算結果與分析
（1）基于改進體積力法的導管螺旋槳敞水水動力性能
使用經流量修正和分布修正的改進螺旋槳體積力模型對 No.19A+Ka4-70 導管螺旋槳進行敞水水動力性能數值模擬。總覽圖 6，發現經流量修正的均布形式的改進體積力法和經流量修正的分布 2 形式的改進體積力法所得導管螺旋槳的各參數皆與試驗值吻合較好。
圖 6 基于改進體積力法的導管螺旋槳敞水性能曲線對比
（2）基于改進體積力法的艇?導管螺旋槳耦合水動力性能
將導管螺旋槳體積力模型與實體導管螺旋槳模型搭配回轉體后的仿真值進行了對比，以進一步研究艇后改進體積力法1和改進體積力法2的適用性。
展開 【培訓動態】格物云CAE水動力仿真線下培訓圓滿結束！
為普及和推廣云原生水動力仿真軟件的使用，讓更多用戶體驗云端水動力仿真軟件的簡單易用性，并通過不確定性分析技術強化水利領域數字孿生能力，遠算科技在11月24日成功舉辦“格物云CAE水動力仿真線下培訓”。
此次培訓內容基于遠算科技自主研發的國產可控仿真云平臺——格物云CAE，通過格物云CAE軟件一維、二維水動力模塊，以水利數字孿生真實案例作為切入點，幫助學員短時間快速了解格物云CAE-水動力仿真軟件的相關功能和應用范圍并掌握軟件使用方法。
同期，遠算科技特別邀請法國電力集團資深仿真專家Julien Pelamatti為大家講解如何采用專業的統計分析工具對數字孿生中的不確定性進行分析，也向學員們分享了他在法電多年寶貴的科研經驗。
培訓中，遠算科技專家為參訓人員帶來了一維、二維水動力仿真模塊功能介紹，帶領參訓人員登錄格物云CAE網頁端，手把手實操水利真實案例，近距離答疑解惑，順利完成案例仿真操作。
現場互動環節積極熱烈，學員們紛紛表示受益匪淺，對格物云CAE的實際能力和應用前景表示高度認可。
此次培訓不僅是對學員的知識和技能的提升，更是國產工業仿真軟件格物云CAE在水利數字孿生和數值仿真領域潛力的一次展示。而采用國產工業仿真軟件，不僅可以顯著提升國內水利工程設計和管理的自主性、靈活性與安全性，也能為我國水利基礎設施的現代化發展打下堅實基礎。
未來，遠算科技將進一步發揮數值仿真技術優勢，拓展行業應用場景，并開展更多技術性干貨培訓，分享寶貴技術經驗，推動國產仿真軟件蓬勃發展，賦能更多行業應用需求，幫助企業降本增效，推進行業數字化進程。
展開 積鼎CFDPro水文水動力模型，專為中小流域洪水“四預”研發的流體仿真技術
水動力模型與水文模型是水利工程與水文學研究中不可或缺的兩大工具。水動力模型著重于流體運動的動力學機制，通過一系列方程組捕捉水流的時空變化，而概念性水文模型則側重于流域尺度的水文循環過程，利用物理概念與經驗關系進行近似模擬。兩者相互補充，共同構成了現代水文學與水資源管理領域的核心分析手段。積鼎科技結合了水文的產流機制和水動力的對流動的準確計算，創新研發CFDpro—水文水動力模型，這是一種充分適用于中小流域洪水四預的基于二維不規則網格的精細化產匯流模型。
CFDPro水文水動力模型：適用于中小流域洪水四預的精細化產匯流模型
經過多年研發和實踐打磨，積鼎科技結合了水文的產流機制和水動力的對流動的準確計算，創新研發CFDpro—水文水動力模型，這是一種充分適用于中小流域洪水四預的基于二維不規則網格的精細化產匯流模型。針對中小流域的暴雨洪水具有洪水反應快，洪水空間分布及推進反應真實等特點，能夠一次計算同時完成洪水預報和淹沒分析，可通過雨量站的實測數據和數值氣象預報的網格數據進行預報和演進計算。具體特征如下所述。
· 二維不規格網格空間劃分
在研究對象的集水范圍內，通過二維網格的形式對空間進行離散，網格的節點保存高程值。
圖1 研究區域影像圖
圖2 研究區域網格離散圖
· 針對不同土地特征的下墊面設置
下墊面根據降雨到產流的不同特征分為水體、水泥地、裸土、草地以及林地等多種土地特征。根據相關的土地利用性質影像圖資料就可方便快捷的進行自動映射到網格上，如下圖所示。
圖3 土地屬性網格圖
整個垂直空間的降雨截流、產流及下滲架構如下表
· 靈活精準的面雨量計算
面雨量的計算是根據監測雨量的點的位置關系進行空間距離權重插值。
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