數值水池是利用先進的水動力學理論模型和精細數值算法，系統化編制的高效計算軟體，結合先進的計算機和網際網路條件，在不同的海洋環境中，進行船舶與海洋結構物流體動力回響過程的高精度虛擬實驗，經驗證後，滿足船舶與海洋工程領域研究、設計及工程套用的要求。
基本介紹
- 中文名：數值水池
- 外文名：Numerical Tank
- 套用學科：船舶工程（一級學科）
概念,定義與內涵,優越性,階段任務,背景,基礎理論,試驗類型,研究現狀,
概念
數值水池，通常被認為是利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）軟體，開展船舶與海洋結構物水動力學回響模擬與性能預報等，用於補充、替代“物理水池模型試驗”的發展願景。
作為船舶工業水動力學國家科研與試驗基地的中國船舶科學研究中心（China Ship Scientific Research Center，又稱中國船舶重工集團公司第七〇二研究所），基於長期的研究積累，在國際上首先創立並發展完善了對數值水池的系統論證，較全面地闡述了數值水池的定義，並已開展了相關技術的研發與套用。
定義與內涵
數值水池，是在模型驅動、知識驅動的船舶與海洋結構物設計最佳化流程中，基於CFD套用技術及專家知識，依託高性能計算平台，通過高速網路通訊結合虛擬現實技術，為船舶與海洋工程水動力學性能設計、預報、評估和最佳化提供高效能、高精度、高置信度的沉浸式、情景化虛擬試驗服務的套用技術系統。
數值水池內涵的基礎性認識，首先源於物理水池模型試驗的比擬。但是可以預期，數值水池未來將至少在兩個方面超越物理水池：一是超越物理水池的功能與性能限制，實現物理水池難以開展的試驗項目；二是超越物理水池的尺度限制，開展實尺度平台在實際海洋環境下的航行性能試驗，並與平台的操縱控制相結合，實現“數值航行”。
無論數值水池的功能與性能如何發展，其主要內涵概括起來就是“一點定位、兩個本質、三大特徵”。
一點定位：數值水池是以船舶及海洋結構物水動力學性能研究為特定套用領域的虛擬試驗套用技術系統。
數值水池的兩個本質：一是虛擬試驗——通過對環境與對象的建模，比擬物理模型試驗，開發系列“虛擬測量系統”，提供精細水動力學信息的虛擬“測試”；二是服務新模式——藉助高性能計算機和先進信息技術等新興技術，高效能回響客戶需求，提供經驗證的精細水動力學信息和沉浸式體驗。
數值水池技術特徵之一：基於屬性細分的知識封裝。在對CFD技術的套用研究基礎上，依據不同虛擬試驗項目、試驗對象的細分，封裝不因用戶而變的數值模型及其最優套用設定，以確保獲得穩定可靠的虛擬試驗結果。用戶面對的是簡約界面，得到的是流程服務，獲得不因人而異的結果。
數值水池技術特徵之二：基準試驗檢驗與大子樣套用驗證及結果的置信度評估。通過有限的分類標準模型的基準檢驗試驗與大子樣的分類套用，給出虛擬試驗結果的量化置信度，讓用戶在虛擬試驗之前就能夠知道數值水池試驗項目的量化精度指標，滿足用戶的核心需求，提升用戶對數值水池的使用信心。這一技術特徵充分說明了數值水池套用系統的研發，離不開物理試驗結果的重要支撐。
數值水池技術特徵之三：虛擬試驗過程和結果的情景化。對試驗對象、環境、過程和結果進行虛擬重建，構造並呈現時空高精度的水動力學“全”物理信息，讓用戶獲得沉浸式體驗，在時空場域內捕捉自己感興趣的信息，從而超越物理試驗的局限，提供可介入式精細流場的場景體驗。
優越性
數值水池的核心價值在於“套用”。
現階段，數值水池當務之急的任務是利用已有的成熟且不失先進性的技術（包括CFD技術、計算機技術、網路技術等），為船舶工業界提供急需的單項水動力學性能預報、評估等套用服務，包括：船舶快速性虛擬試驗、船舶耐波性虛擬試驗、船舶操縱性虛擬試驗、螺旋槳空泡與激振力虛擬試驗、海洋平台運動與載荷虛擬試驗、渦激振動與渦激運動虛擬試驗等。
數值水池下一步的任務應是：面向船舶與海洋結構物設計對真實、複雜海洋環境中綜合/耦合水動力性能預報、評估的需求，開發複雜水動力學回響的虛擬試驗模組（如船舶波浪中快速性、波浪中操縱性等），並提供相應的套用服務；此外，開展實尺度船舶“數值航行”以及實尺度海洋結構物在真實海洋環境中載荷與回響的虛擬試驗技術開發。
應該注意到，數值水池是一項革命性技術，因而必將是一個持續發展與積累的宏大工程。在船舶與海洋工程結構物設計、最佳化對更高效、更快捷、更強大、更精準的水動力學性能預報、評估能力和手段的無止境的需求牽引下，數值水池研究人員將持續開發並套用先進的CFD技術，利用不斷發展的計算機、網路、虛擬現實等先進信息化技術，持續提升數值水池的性能並拓展數值水池的功能。
階段任務
數值水池的核心價值在於“套用”。
現階段，數值水池當務之急的任務是利用已有的成熟且不失先進性的技術（包括CFD技術、計算機技術、網路技術等），為船舶工業界提供急需的單項水動力學性能預報、評估等套用服務，包括：船舶快速性虛擬試驗、船舶耐波性虛擬試驗、船舶操縱性虛擬試驗、螺旋槳空泡與激振力虛擬試驗、海洋平台運動與載荷虛擬試驗、渦激振動與渦激運動虛擬試驗等。
數值水池下一步的任務應是：面向船舶與海洋結構物設計對真實、複雜海洋環境中綜合/耦合水動力性能預報、評估的需求，開發複雜水動力學回響的虛擬試驗模組（如船舶波浪中快速性、波浪中操縱性等），並提供相應的套用服務；此外，開展實尺度船舶“數值航行”以及實尺度海洋結構物在真實海洋環境中載荷與回響的虛擬試驗技術開發。
應該注意到，數值水池是一項革命性技術，因而必將是一個持續發展與積累的宏大工程。在船舶與海洋工程結構物設計、最佳化對更高效、更快捷、更強大、更精準的水動力學性能預報、評估能力和手段的無止境的需求牽引下，數值水池研究人員將持續開發並套用先進的CFD技術，利用不斷發展的計算機、網路、虛擬現實等先進信息化技術，持續提升數值水池的性能並拓展數值水池的功能。
背景
數值水池的基本原理是用計算機模擬流體流動，求解流體運動方程，模擬海洋結構物的運動和受力，用軟體實現甚至超越物理水池的功能，從而設計出更最佳化的船舶和海洋平台。該技術是船舶與海洋工程裝備研發由物理水池試驗向虛擬仿真試驗轉變的最重要支撐技術，也是船舶與海洋工程裝備設計方法的革命性轉變，具有極其重要的理論和工程意義。
基礎理論
數值水池的基礎理論是船舶與海洋工程原理和計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，簡稱CFD）。數值水池系統還涉及到科學計算可視化的理論和並行計算理論。
試驗類型
數值水池可以完成船舶快速性虛擬試驗、螺旋槳空泡激振力虛擬試驗、船舶耐波性虛擬試驗、船舶操縱性虛擬試驗、海洋環境流場虛擬試驗、海洋平台運動與載荷虛擬試驗、渦激振動與渦激運動虛擬試驗，未來可以完成實尺度船舶在真實海洋環境中航行的虛擬試驗和實尺度海洋平台在真實海洋環境中運動與載荷的虛擬試驗。
研究現狀
2014年-2015年，哈爾濱工程大學牽頭，聯合中船重工第702研究所完成了工信部“數值水池頂層研究”項目，制定完成中國數值水池10年研究發展規劃。
2016年，由哈爾濱工程大學牽頭，與中船重工第702研究所分工合作，並聯合中船工業第708研究所、上海船舶運輸科學研究所、大連理工大學、上海交通大學，開展工信部“數值水池創新專項（一期）”項目研究，計畫2019年完成。參與數值水池創新專項（一期）的單位還有中國船級社、北京大學、江蘇科技大學、武漢理工大學、中國海洋大學等。同時，還與美國加州大學伯克利分校、美國休斯頓Technip公司、法國船級社、法國南特中央理工學院、英國倫敦城市大學、日本九州大學等單位開展了國際合作。
數值水池，已迅速在近年內，成為國際船舶領域的創新大旗，受到廣泛的重視。中國船舶科學研究中心高度關注數值水池，在國防科研的有關軍民融合性項目、工業和信息化部“數值水池頂層研究”等先期項目的支持下，引領並持續深化相關研究、驗證與套用工作。
（1）論證提出了“數值水池路線圖”，從五個方面，論證了數值水池的頂層技術設計，形成了清晰的目標圖像、實施途徑和急需解決的關鍵技術。
（2）論述了數值水池與CFD的發展性和套用性差異，分別提出了數值水池和CFD技術發展的關鍵技術族，同時對實現數值水池的主要關鍵技術進行了分析和闡述。
（3）結合工作基礎和實踐經驗，開展了數值水池部分虛擬試驗項目的先期攻關，完成了基於成熟CFD套用技術的數值水池部分虛擬試驗模組開發與集成，包括船模阻力、螺旋槳模型敞水等虛擬試驗模組，初步形成了虛擬試驗服務能力，並套用於日常的科研生產中。
2016年初，在工業和信息化部的主導下，設立了“數值水池創新專項（一期）”科研項目（2016-2019）。該項目由哈爾濱工程大學牽頭，中國船舶科學研究中心、上海船舶運輸科學研究所、中國船舶工業集團公司第七〇八研究所、大連理工大學和上海交通大學為主要參研單位。
