CN107688721B

CN107688721B - 一种船舶自航点数值模拟方法、装置以及计算机设备

Info

Publication number: CN107688721B
Application number: CN201710882374.4A
Authority: CN
Inventors: 王炳亮; 王婷
Original assignee: Guangzhou Shipyard International Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Shipyard International Co Ltd
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-04-09
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: CN107688721A; WO2019061705A1

Abstract

本发明公开了一种船舶自航点数值模拟方法、装置以及计算机设备，在船舶自航点数值模拟的计算过程中，可以提前获取到相对稳定的流场参数中的强制力大小，将获得的强制力大小与目标强制力进行比较，如果与目标强制力的大小关系不满足预设的大小关系，则根据预设的修正系数对船舶的螺旋桨进行第一次修正，将修正后获取的强制力大小与目标强制力比较，从而可以利用插值算法自动地获取到目标强制力所需要的螺旋桨转速，从而快速精确地选取到船舶的自航点，减少了数值模拟计算的计算量，且在获得较高计算精度情况下，不需要较多的计算资源，同时计算过程中还避免了过多的人工参与，提高计算效率。

Description

一种船舶自航点数值模拟方法、装置以及计算机设备

技术领域

本发明实施例涉及计算机数值模拟技术，尤其涉及一种船舶自航点数值模拟方法、装置以及计算机设备。

背景技术

现有的船舶数值模拟计算选取自航点的方式是：当流场达到稳定一段时间后，停止计算，导出强制力FD值，在该稳定区域求出FD值的平均值然后通过经验改变船舶螺旋桨转速R,以使得FD值能够向目标FD值靠近，在新的螺旋桨转速R1下继续计算一段时间，又当流场稳定(流场参数收敛)后，停止计算，导出强制力FD值，在该稳定区域求出FD的平均值通过这两次停止计算后，根据给流场赋值的螺旋桨转速初始R0，R1，以及该船舶的目标强制力FD0，根据一定的算法，推导出目标强制力FD0理论上对应的螺旋桨目标转速，并在该目标转速下对船舶进行数值模拟，获得船舶的流场参数。

然而，上述现有技术的方法，在获得目标转速以及对应的流场参数过程中，需要人为的对流场模拟计算过程进行中断，计算效率较低，而且需要等流场稳定一段时间后，才能获得计算所需的FD的平均值，模拟计算的工作量大，导致为了获得较高的计算精度，需要较多的计算资源。

发明内容

本发明提供一种船舶自航点数值模拟方法、装置以及计算机设备，以解决现有的船舶自航点数值模拟方法过程中需要过多人工中断计算，计算效率低，耗费计算资源较大的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种船舶自航点数值模拟方法，包括：

在流场以螺旋桨的设定转速对船舶进行数值模拟计算；

当检测到所述流场参数满足预设的稳定状态条件时，获取所述设定转速对应的当前强制力；

判断所述当前强制力与预设的目标强制力FD0是否满足预设的大小关系；

若否，则根据所述设定转速获得新的设定转速，并重新进行数值模拟计算，直至所述当前强制力与预设的目标强制力满足预设的大小关系；

其中，第一个所述设定转速为R1；

根据所述设定转速获得新的设定转速，包括：

若R1对应的当前强制力FD1大于预设的目标强制力FD0，则根据R1获得第二个设定转速R2＝R1*α；

若R1对应的当前强制力FD1小于预设的目标强制力FD0，则根据R1获得第二个设定转速R2＝R1/α；

若Rn对应的当前强制力FDn与预设的目标强制力FD0不满足预设的大小关系，则第n+1个设定转速Rn+1根据Rn、Rn-1、FDn和FDn-1、目标强制力FD0进行插值得到；

其中，α为修正系数，0＜α＜1，n≥2。

第二方面，本发明实施例还提供了一种船舶自航点数值模拟装置，包括：

计算单元，用于在流场以螺旋桨的设定转速对船舶进行数值模拟计算；

检测单元，用于当检测到所述流场参数满足预设的稳定状态条件时，获取所述设定转速对应的当前强制力；

判断单元，用于判断所述当前强制力与预设的目标强制力FD0是否满足预设的大小关系；

设定转速调整单元，用于若否，则根据所述设定转速获得新的设定转速，并重新进行数值模拟计算，直至所述当前强制力与预设的目标强制力满足预设的大小关系；

其中，第一个所述设定转速为R1，所述设定转速调整单元还用于：

其中，α为修正系数，0＜α＜1，n≥2。

第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的数值模拟方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述的数值模拟方法。

本发明实施例的技术方案，在船舶自航点数值模拟的计算过程中，通过检测流场参数是否满足预设的稳定状态条件，可以提前获取到相对稳定的流场参数中的强制力大小，将获得的强制力大小与目标强制力进行比较，如果与目标强制力的大小关系不满足预设的大小关系，则根据预设的修正系数对船舶的螺旋桨进行第一次修正，将修正后获取的强制力大小与目标强制力比较，从而可以利用插值算法自动地获取到目标强制力所需要的螺旋桨转速，从而快速精确地选取到船舶的自航点，减少了数值模拟计算的计算量，且在获得较高计算精度情况下，不需要较多的计算资源，同时计算过程中还避免了过多的人工参与，提高计算效率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种船舶自航点数值模拟方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例二的一种船舶自航点数值模拟装置的结构框图；

图3是本发明实施例三提供的一种计算设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种船舶自航点数值模拟方法的步骤流程图，本实施例可适用于对船舶(包括实体船舶，船模)的自航点进行数值模拟的情况，该方法可以由各类计算设备来执行，具体包括如下步骤：

步骤101、在流场以螺旋桨的设定转速对船舶进行数值模拟计算；

具体的，船舶的自航点可以分为实体船舶自航点(即实船自航点)和船模自航点，实体船舶自航点和船模自航点有细微差异，船模自航点是指作强制自航试验时，螺旋桨推力恰等于船模阻力及阻力增额时的情况。

在进行船舶设计时，需要选取合适的自航点，以便更好的确定螺旋桨转速和船舶设计速度之间的关系，本发明实施例可以通过数值模拟计算，通过改变船舶的螺旋桨转速，计算对应的当前强制力FD，当当前强制力FD与所需要设计的船舶的目标强制力FD0接近时或者相等时，认为此时船舶的状态是自航点,其中，目标强制力FD0值是预设的，本领域技术人员根据船舶的设计需求，船舶参数，理论推导出的需要的目标强制力。

通常，在对需要模拟的问题进行数值模拟时，会经历如下过程：建立控制方程，确认初始条件及边界条件，划分计算网格，生成计算节点，建立离散方程，离散初始条件和边界条件，给定求解控制参数，求解离散方程，判断解的收敛性，显示和输出计算结果。

在本发明实施例中，在对船舶的流场进行数值模拟计算时，船舶的螺旋桨的设定转速属于数值模拟计算的初始条件，在进行数值模拟计算时，需要对其进行设定，在本方案中，本领域技术人员可以根据对待模拟计算船舶的掌握和熟悉情况，初步估计一个认为合适的螺旋桨的转速R1作为设定转速，该转速R1作为初始条件，然后根据R1，以及其他数值模拟必要的其他步骤，例如选取合适的控制方程，网格的划分，对该船舶进行数值模拟计算，获得船舶在该初始条件下的流场参数，例如船舶的强制力FD、船舶航行阻力，螺旋桨推力等。

步骤102、当检测到所述流场参数满足预设的稳定状态条件时，获取所述设定转速对应的当前强制力；

在本发明实施例中，在数值模拟计算过程中，在每一次迭代，所需要获得的流场参数都会根据初始条件获得一个值，当这些值满足预设的稳定状态条件时，此时认为流场基本稳定，获得与设定的转速R1对应的当前强制力FD1。

需要说明的是，本发明实施例中，流场参数满足预设的稳定状态条件与现有技术中的流场稳定并不一样，现有技术中流场稳定需要流场参数随着迭代步数收敛，而本发明实施例中预设的稳定状态条件则不一定需要，只需要本领域技术人员认为满足预设条件即可，这样设置的目的是为了减少计算量，在流场基本稳定时已经获取了设定转速R1对应的强制力FD1值，而不用等到流场参数收敛后才获取转速R1对应的强制力FD1值。

需要说明的是，上述在流场基本稳定时已经获取设定转速R1对应的强制力FD1值，由于流场还未达到收敛状态，此时FD1的取值误差虽然相较完全收敛状态下取值的误差会大一些，但由于后续对R1的修正过程，这里产生的误差完全在后续计算过程可以弥补，因此本发明实施例的计算精度可以在较少计算量的情况下可以保证。

优选地，稳定状态条件具体可以为：所述流场参数的波动值在预设范围内，或所述流场参数相邻两点连线的斜率的绝对值小于预设值。

作为一种示例，流场参数的波动值在预设范围内可以为：在一定的迭代步数内，流场参数的最大值与最小值之差除以该迭代步数内流场参数的平均值小于一预设百分数，例如，在100步的迭代步数内，最大强制力FD-最小强制力FD＝2N，在该迭代步数内，强制力FD的平均值＝100N，则2N/100N＝2％，预设百分数为5％，则可以认为流场参数的波动值在预设范围内。

所述流场参数相邻两点连线的斜率的绝对值小于预设值可以为：相邻的两个迭代步数中流场参数在坐标系上的两点连线的斜率的绝对值小于预设值，例如，第99步的流场参数值FD＝100N,第100步的流场参数值FD＝101N，横坐标为迭代步数，则第99步和第100步的FD值两点连线的斜率＝(101-100)/1＝1,预设值为2，则可以认为流场参数的相邻两点连线的斜率的绝对值小于预设值。

在本发明的一种优选实施例中，为了保证FD1的取值更加精确，可以设置螺旋桨每转动一度，计算迭代一次或多次，则螺旋桨旋转一周，计算的迭代步数则为360m步，m≥1正整数，所述FD1的取值为从流场开始模拟计算至所述流场的参数满足预设的稳定状态条件时所经历的计算步数X中，最后的360m步中每一步计算的强制力值的平均值，这样可以保证FD1的取值来源于在稳定状态条件满足时，较为接近稳定状态条件的FD值，提高FD1的准确性。

例如，当流场在经过3000步达到稳定状态条件，m取值2，则FD1可以取3000步中的最后720步中每一步FD的平均值。

步骤103、判断所述当前强制力与预设的目标强制力FD0是否满足预设的大小关系；

具体的，预设的大小关系是技术人员对强制力误差的预设，设置大小关系的目的是为了尽快使得模拟计算结束，这是因为在数值模拟领域，要使得当前强制力完全与目标强制力FD0相等是难以实现的，实际中，使得当前强制力与目标强制力的误差在预设范围内，是可以容忍的，此时，只要当前强制力与预设的目标强制力FD0满足预设的大小关系，即当前强制力与目标强制力的误差在预设范围内，就可以认为当前船舶处于自航点。

在本发明实施例中，获取FD1值后，可以判断该FD1值与预设的目标强制力FD0是否满足预设的大小关系。

步骤104、若否，则根据所述设定转速获得新的设定转速，并重新进行数值模拟计算，直至所述当前强制力与预设的目标强制力满足预设的大小关系；

在本发明实施例中，若FD1值与预设的目标强制力FD0不满足预设的大小关系，则需要对设置的R1进行调整，获得新的设定转速，并根据新的设定转速对船舶进行数值模拟计算，直至新的设定转速对应的当前强制力满足预设的大小关系。

在本发明的一种优选实施例中，根据所述设定转速获得新的设定转速的步骤可以包括如下：

子步骤S11，若R1对应的当前强制力FD1大于预设的目标强制力FD0，则根据R1获得第二个设定转速R2＝R1*α；

具体的，若FD1＞FD0，则表明螺旋桨转速较快，可以设置第二个设定转速R2＝R1*α,其中α为修正系数，0＜α＜1，将新的设定转速相对R1调小一点，以新的R2重新进行模拟，获得R2对应的目标强制力FD2。

优选地，α＝0.97，使得本发明调整螺旋桨转速时不至于变化过大，导致流场瞬间变化过大，不利于后续流场参数的稳定取值。

子步骤S12，若R1对应的当前强制力FD1小于预设的目标强制力FD0，则根据R1获得第二个设定转速R2＝R1/α；

具体的，若FD1＜FD0，则表明螺旋桨转速较慢，可以设置第二个设定转速R2＝R1/α,将新的设定转速相对R1调大一点，以新的R2重新进行模拟，获得R2对应的目标强制力FD2。

当然，如果FD1＝FD0，则可以设置所述船舶的螺旋桨第二转速R2＝R1，认为此时第一设定转速R1是合适的，设置第二设定转速R2＝R1，后续以R2进一步对流场进行模拟。

子步骤S13，若Rn对应的当前强制力FDn与预设的目标强制力FD0不满足预设的大小关系，则第n+1个设定转速Rn+1根据Rn、Rn-1、FDn和FDn-1、目标强制力FD0进行插值得到，其中，n≥2。

具体的，当n＝2时，若R2对应的当前强制力FD2与FD0仍然不满足预设的大小关系，则表明FD2仍然不符合需求，则第三设定转速R3根据R2、R1、FD2、FD1以及目标强制力FD0插值得到。

例如，可以利用线性插值算法，计算出按照现有的R2、R1、FD2、FD1以及目标强制力FD0数据，得出目标强制力FD0对应的R3，当然，具体的插值算法，本发明实施例对此不作限制。

当n＝3时，若R3对应的当前强制力FD3与FD0仍然不满足预设的大小关系，则表明FD3仍然不符合需求，则第四设定转速R4根据R3、R2、FD3、FD2以及目标强制力FD0插值得到。

依次循环迭代计算，直至所述当前强制力FD与预设的目标强制力FD0满足预设的大小关系。

相应地，若Rn对应的当前强制力FDn与预设的目标强制力FD0满足预设的大小关系，则停止对螺旋桨转速的调整，当前转速Rn即为船舶的自航点。

在本发明的一种优选实施例中，为了提高FDn的取值准确性，所述FD_n为所经历的计算步数X+(n-1)k中，最后的360P步中每一步计算的强制力值的平均值，其中，k＞360m正整数，m≥1正整数，P≥1正整数，且k-360P＞100。

延续步骤102的示例，当n＝2,m＝2，P＝2，k＝870(即k-720＝150＞100)，则FD2经历的计算步数为3000+(2-1)*870＝3870步中，最后的720步中每一步计算的强制力FD的平均值。

需要说明的是，上述对于FD2这样的取值的原因在于，当转速R1调整到R2后，由于调整的一段时间内，流场不够稳定，对于FD2的步数选择，使得(n-1)k＞360P，可以避免取到流场不稳定时FD的值。

进一步的，P≤m，则可以进一步保证取值的准确性。

进一步地，本发明实施例还通过在选取FD取值的步数时，通过合适的选取步数，提高了FD取值的准确性，进一步提高数值模拟的计算精确度。

实施例二

图2为本发明实施例二的一种船舶自航点数值模拟装置的结构框图，本发明实施例的数值模拟装置具体可以包括：

计算单元201，用于在流场以螺旋桨的设定转速对船舶进行数值模拟计算；

检测单元202，用于当检测到所述流场参数满足预设的稳定状态条件时，获取所述设定转速对应的当前强制力；

判断单元203，用于判断所述当前强制力与预设的目标强制力FD0是否满足预设的大小关系；

设定转速调整单元204，用于若否，则根据所述设定转速获得新的设定转速，并重新进行数值模拟计算，直至所述当前强制力与预设的目标强制力满足预设的大小关系；

其中，α为修正系数，0＜α＜1，n≥2。

在本发明的一种优选实施例中，所述设定转速调整单元还用于：

若FD1＝FD0，则设置所述船舶的螺旋桨第二转速R2＝R1。

在本发明的一种优选实施例中，所述稳定状态条件具体为：所述流场参数的波动值在预设范围内，或所述流场参数相邻两点连线的斜率的绝对值小于预设值。

在本发明的一种优选实施例中，所述FD1为所述流场的参数满足预设的稳定状态条件时所经历的计算步数X中，最后的360m步中每一步计算的强制力值的平均值，所述FD_n为所经历的计算步数X+(n-1)k中，最后的360P步中每一步计算的强制力值的平均值，其中，k＞360m正整数，m≥1正整数，P≥1正整数，且k-360P＞100。

在本发明的一种优选实施例中，所述α＝0.97。

本发明实施例所提供的数值模拟装置可执行本发明任意实施例所提供的数值模拟方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种计算设备的结构示意图，如图3所示，该计算设备包括处理器30、存储器31、输入装置32和输出装置33；计算设备中处理器30的数量可以是一个或多个，图3中以一个处理器30为例；计算设备中的处理器30、存储器31、输入装置32和输出装置33可以通过总线或其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。

存储器31作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的数值模拟方法对应的程序指令/模块(例如，数值模拟装置中的计算单元201、检测单元202、判断单元203、设定转速调整单元204)。处理器70通过运行存储在存储器71中的软件程序、指令以及模块，从而执行计算设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的数值模拟方法。

存储器31可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器31可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器31可进一步包括相对于处理器30远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备/终端/服务器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置32可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备/终端/服务器的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置33可包括显示屏等显示设备。

实施例四

本发明实施例四还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种数值模拟方法，该方法包括：

其中，第一个所述设定转速为R1；

根据所述设定转速获得新的设定转速，包括：

其中，α为修正系数，0＜α＜1，n≥2。

当然,本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质,其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作,还可以执行本发明任意实施例所提供的数值模拟方法中的相关操作.

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

值得注意的是，上述搜索装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种船舶自航点数值模拟方法，其特征在于，包括：

在流场以螺旋桨的设定转速对船舶进行数值模拟计算；

其中，第一个所述设定转速为R1；

根据所述设定转速获得新的设定转速，包括：

其中，α为修正系数，0＜α＜1，n≥2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述设定转速获得新的设定转速的步骤还包括：

若FD1＝FD0，则设置所述船舶的螺旋桨第二转速R2＝R1。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稳定状态条件具体为：所述流场参数的波动值在预设范围内，或所述流场参数相邻两点连线的斜率的绝对值小于预设值。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述FD1为所述流场的参数满足预设的稳定状态条件时所经历的计算步数X中，最后的360m步中每一步计算的强制力值的平均值，所述FDn为所经历的计算步数X+(n-1)k中，最后的360P步中每一步计算的强制力值的平均值，其中，k＞360m正整数，m≥1正整数，P≥1正整数，且k-360P＞100。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述α＝0.97。

6.一种船舶自航点数值模拟装置，其特征在于，包括：

其中，α为修正系数，0＜α＜1，n≥2。

7.根据权利要求6所述的数值模拟装置，其特征在于，所述稳定状态条件具体为：所述流场参数的波动值在预设范围内，或所述流场参数相邻两点连线的斜率的绝对值小于预设值。

8.根据权利要求6或7所述的数值模拟装置，其特征在于，所述FD1为所述流场的参数满足预设的稳定状态条件时所经历的计算步数X中，最后的360m步中每一步计算的强制力值的平均值，所述FDn为所经历的计算步数X+(n-1)k中，最后的360P步中每一步计算的强制力值的平均值，其中，k＞360m正整数，m≥1正整数，P≥1正整数，且k-360P＞100。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一所述的数值模拟方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的数值模拟方法。