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超算助力海洋装备跨入智慧时代

2017-05-11中国科学报赵利利

  “海洋强国”的标志之一是智慧海洋、智慧海洋装备、智慧设计建造。“数值世界”为推动海洋装备研究、设计与制造跨入智慧时代提供了重要窗口。

  在陆、海、空、天四大空间中,海洋是远未充分开发的资源宝库,是世界科技和经济竞争的重要领域,也是维护国土安全和国家权益的主战场。十八大以来,习近平总书记多次强调:“要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋,推动我国海洋强国建设不断取得新成就。”

  建设海洋强国必须大力发展海洋高新技术。近日,在无锡举办的第247场中国工程科技论坛上,中国船舶科学研究中心研究员赵峰表示,“探测与开发海洋必须依靠海洋装备,必须发展海洋装备科学与技术。”

两大核心问题

  “水面、水下、海底,从数吨到数十万吨,海洋装备是发展海洋经济、开发海洋资源、维护海疆安全的基石,是国家利益向海外延伸的重要保障。”赵峰表示,海洋装备科学与技术面临着极端环境条件、高可靠应用、系统配套需求等巨大挑战,“重点在于深水、绿色、安全”,“极端环境的适应性、功能实现的可靠性是海洋装备科学与技术的两大核心问题”。

  海洋装备的结构、操纵等受水面波浪限制,海上高压、难通讯的问题使得海洋装备在技术上必须克服耐压、噪声等难题,冰区航行还涉及到冰载荷、疲劳等因素,而远海的突发情况对海洋装备的环境适应等也提出了很高的要求。这就意味着,海洋装备科学技术因为复杂的海洋环境必须综合多种学科与技术。

  赵峰表示,与“极端环境的适应性”相关的科学与技术涉及到风浪流、结构物周边精细流场分析、船舶与海洋浮体的非线性水动力学问题、海洋装备波浪响应与航行性能综合优化等多个领域的内容,而与“功能实现的可靠性”相关的科学与技术也包括深海空间站与深海潜水器前沿技术、深海装备的海上与水下安装技术、复杂环境下潜器布放回收与多体操控安全性、水下测探与通信技术等多元技术体系的综合集成。

超算分析是必然选择

  “海洋强国”的标志之一是智慧海洋、智慧海洋装备、智慧设计建造。“数值世界”为推动海洋装备研究、设计与制造跨入智慧时代提供了重要窗口。

  “超算技术的发展与应用为创造这一色彩缤纷的数值世界提供了必要条件和强大的驱动力。”赵峰表示,军民海洋装备总体设计历来以规范及模型试验为主要依据,各国以相应的试验基地作为国家的战略资源,“超级计算与试验相结合已经成为本世纪海洋装备发展的重要特征”。

  在海洋装备的研发过程中,“传统的模型试验存在尺度效应、精细测量难、试验周期长等各方面的制约,而实船试验又因为难度大、成本高,只能在建造最终阶段进行。”赵峰表示,“以航母为例,成型实船的重量能达到数万至十万吨,实船试验的成本可想而知。”

  赵峰认为,模型试验面临信息化、精细化、学科交叉的转型需求,科学计算是解决上述问题的重要途径。“以计算科学为核心,以超级计算机为依托,超算资源为建立‘虚实结合’、智能优化、与海洋环境相融合的装备技术体系提供了必要条件,这里的‘虚’是指以大规模数值模拟仿真为基础,‘实’是指以试验为验证手段。”

广泛的应用需求

  海洋装备科学技术与超级计算相结合有着广泛的应用需求,赵峰认为,这包括船舶与海洋装备水动力学、海洋装备结构力学以及当前绿色航运、绿色造船和军民船舶非常关注的海洋装备振动噪声问题等多个方面。

  但这些需求也存在诸多技术挑战。赵峰介绍道,以“数值水池”为例,其以物理试验大数据分析、复杂精细模拟技术为基础,具有多学科集成、虚实综合、精细化的特点。这其中,对高雷诺数、三维湍流边界层直接数值模拟的网络量高达十亿级到万亿级,甚至更高;高速入水的强非线性大变形自由面模拟将流场划分为格子,流体抽象为大量微观粒子,微观粒子离散格子上进行迁移和碰撞反映流体运动规律,需要1亿网格的大规模并行计算;精细流场直接数值模拟已达数千万网格的并行计算,工程问题中的雷诺数更高,其计算资源需求将增加2-3个数量级;简化某些附体之后的实船尺度流动也需要3500万网格。

  赵峰认为,“未来的发展趋势是全船(船体、推进器、附体)、实船尺度、多尺度流动、模拟对象尺度都将跨越多个量级,计算网格数量达数十亿之多。”这对超级计算提出了更高的要求。

  此外,超算系统也将在即将启动的“深海空间站”重大科技项目中发挥不可缺少的作用。

  “近岛礁大型海上浮式结构物需从数百公里大尺度,到数十公里中尺度,再到数百米至数公里围绕大型浮体的小尺度,分区进行由远处深海至岛礁附近变地形浅海的波浪传递及演化规律计算。”如果采用数百万处理器核大规模并行计算,其效率将提高约20倍。赵峰表示,在这方面,“计算与试验对比吻合”,超级计算效果明显。

  《中国科学报》 (2017-05-11 第5版 技术经济周刊)


(责任编辑:张忠英)

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