船模试验和数值计算相耦合的船舶水动力不确定度分析方法与流程

本发明涉及船舶水动力试验领域，具体涉及一种船模试验和数值计算相耦合的船舶水动力不确定度分析方法。

背景技术：

1、船舶水动力试验技术是航运业和造船业发展必要的技术基础，对于船舶性能的技术变革和节能减排战略的实施具有重要意义。国际海事组织(international maritimeorganization,imo)和国际拖曳水池会议(international towing tank conference,ittc)均将船舶水动力试验技术作为船舶设计及性能评估过程中必不可少的一环，其一是要求大洋船舶在设计阶段必须经过水池试验验证，其二是建议研究机构对水动力技术进行不确定度分析(uncertainty analysis)。船舶水动力性能的验证的主流方法是模型试验方法和cfd(computational fluid dynamics，计算流体力学)方法。

2、不确定度对于衡准模型试验结果的稳定性具有重要意义，是量化误差的一种方法，它是基于理论上的真实值，衡量试验结果出现在一定误差范围内的概率水平。试验测量不确定度的基本原理是分别对a类不确定度(统计学意义上的不确定度源)和b类不确定度(除去统计学意义上的测量结果之外的不确定度源)。将a类和b类合并计算之后可得到测试结果在均值附近的不确定度，以此衡量结果的可靠程度。而cfd的不确定度分析步骤则是以试验结果为基准衡量数值模拟的不确定度。并且模型试验和cfd的不确定度分析步骤是独立开的，需要分别计算。

3、目前，水动力试验的不确定度分析是利用特定的标模，采用重复性试验方法获取多个时间序列的均值，将重复性试验结果的标准差作为a类不确定度，计入b类不确定度后计算最终的合成不确定度。

4、但现有方法未解决的问题有四方面：1)单次试验不能进行不确定度分析；2)不确定度分析完全依赖标模重复性试验结果，且难以外推至其他船模的结果；3)重复性试验的时间和经济成本高；4)无法与cfd数值模拟的不确定度分析有效融合。这导致现有方法不能开展特定船型单次试验的不确定度分析，因此也是拟开展研究要解决的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中针对水动力不确定度进行分析的模型试验和数值计算方法相对独立，两种方法独立使用时都需依赖标模重复性试验选择才能完成水动力试验不确定度分析，导致该试验的时间和经济成本高且试验结果难以推至其它船模的问题，本发明提出了一种船模试验和数值计算相耦合的船舶水动力不确定度分析方法，将耦合模型试验的不确定度分析结果与cfd数值模拟的不确定度相结合，通过单次试验完成对水动力试验的不确定度分析，且结果相对可靠。

2、具体方案如下所述：

3、一种船模试验和数值计算相耦合的船舶水动力不确定度分析方法，

4、s1：计算船舶水动力试验的a类不确定度：采集单次船舶水动力试验中船舶阻力随时间变化的阻力-时间曲线即原始有限时间序列，在所述原始有限时间序列中设定一个基准阻力值r0并做出一条以r0为纵坐标的基准线，根据该阻力-时间曲线与所述基准线的交叉点将所述阻力-时间曲线分成n个周期，每个周期的起始点均在交叉点上，任意选择两个起始点的横坐标做垂线截取出一段具有完整周期的阻力-时间曲线作为样本时间序列，在所述样本时间序列中选取平均阻力与所述原始有限时间序列的平均阻力的偏差小于设定的百分比阈值的样本时间序列作为有效样本时间序列，计算所有有效样本时间序列的平均阻力ri的均值rt与有效样本时间序列的标准差s，根据所述均值rt和标准差s计算出船模水动力试验的a类不确定度ua(rt)；

5、s2：计算船舶水动力试验的b类不确定度：将所述船模水动力试验中所使用的仪器测量的极限误差与所述仪器测量随机误差的统计分布规律所对应的分布因子的商作为船模水动力试验的b类不确定度ub；

6、s3：将s1中a类不确定度和s2中b类不确定度相合成：利用s1所述船模水动力试验的a类不确定度、s2所述船模水动力试验的b类不确定度以及该船模水动力试验下的所处的置信区间计算船模水动力试验的合成不确定度和扩展不确定度ue；

7、s4：利用cfd方法数值计算船舶水动力试验的船模阻力：以速度进口、压力出口、自由液面、船体壁面作为边界条件利用网格迭代试验模拟的方法计算网格的不确定度ug、迭代不确定度ui、以及其他因素up；再利用网格的不确定度ug、迭代不确定度ui、以及其他因素up计算数值不确定度un；

8、s5：将s3所述扩展不确定度ue的输出结果作为试验结果的不确定度ud与数值不确定度un耦合计算确认不确定度uv；

9、s6：将船模水动力试验中船模阻力的试验结果与cfd方法进行数值计算的船模阻力的计算结果的差作为对比误差e；将所述对比误差e与s5所述数值计算的确认不确定度uv进行比较来判定所述数值不确定度是否可以通过确认，判定为通过的数值不确定度作为最终输出结果进行输出。

10、优选地，s 1所述基准阻力值r0为所述原始有限时间序列ts0的阻力均值。

11、优选地，s1所述设定的百分比阈值为2％。

12、优选地，s1所述所有有效样本时间序列的平均阻力ri的均值rt计算方法为：所述有效样本时间序列的标准差s的计算方法为：所述船模水动力试验的a类不确定度ua(rt)的计算方法为:ua(rt)＝s/rt,其中ri是所有有效样本时间序列的平均阻力，n是有效样本时间序列的个数，rt是所有有效样本时间序列的平均阻力ri的均值。

13、优选地，s2所述船模水动力试验的b类不确定度ub的计算公式为：ub＝δ仪/h；其中，δ仪是船模水动力试验中所使用的仪器测量的极限误差，h是所述仪器测量随机误差的统计分布规律所对应的分布因子。

14、优选地，s3所述船模水动力试验的合成不确定度uc的计算方法为：其中，ua(rt)和ub分别为船模水动力试验的a类不确定度和b类不确定度；扩展不确定度ue的计算公式为：ue＝kuc，其中，k所述船模水动力试验下的置信区间所对应的扩展因子。

15、优选地，s4所述数值不确定度un的计算方法为：其中，ui为迭代不确定度，ug为网格的不确定度，up为其他因素。

16、优选地，s5所述数值计算的确认不确定度uv的计算方法为：其中，ud为试验结果的不确定度，un为数值不确定度。

17、优选地，s6所述对比误差e的计算方法为：e＝d-s，其中，d为船模水动力试验中船模阻力的试验结果，s为cfd方法进行数值计算的船模阻力的计算结果。

18、优选地，所述s6中判定所述数值不确定度是否可以通过确认的判定方法为：若uv大于|e|，则将数值计算的不确定度判定为通过，若uv小于或等于|e|，则调整计算方法直至数值计算的确认不确定度判定通过为止。

19、本发明具有如下有益效果：

20、1.本发明提供了一种船模试验和数值计算相耦合的船舶水动力不确定度分析方法，首先，本发明在s1中采集单次船舶水动力试验中船舶阻力随时间变化的阻力-时间曲线即原始有限时间序列，在原始有限时间序列中截取样本时间序列和有效样本时间序列，利用获得的多个有效样本时间序列的阻力均值计算单次船舶水动力试验的a类不确定度，充分利用了单次船模水动力试验有限时间序列的数据，不需要再进行多次重复试验，节省了船模试验的时间成本和经济成本；同时，单次船模水动力试验在筛选有效样本时间序列的过程中，通过设定的百分比阈值将不符合偏差范围的样本时间序列剔除，提高了船舶水动力不确定度分析结果的稳定性，使得单次船模水动力不确定度分析的结果更可靠。第三，在s4中利用cfd方法数值计算船舶水动力试验的船模阻力，将单次船模水动力试验的扩展不确定度ue的输出结果作为试验结果的不确定度ud与cfd方法数值计算的数值不确定度un耦合计算确认不确定度，实现了单次船模水动力试验与cfd方法数值计算的不确定度分析有效融合，提高单次船模水动力试验和cfd数值计算的可靠程度；在实现单次船舶水动力试验可以进行进行不确定度分析的同时与cfd数值计算方法融合，提高了船舶水动力不确定度分析结果的准确度。