航海领域仿真计算全景解析 —从船舶设计到智能航行，算力正在重塑海洋工程

在现代航海与海洋工程领域，仿真计算已成为核心基础能力。从船舶总体设计、推进系统优化，到海洋环境评估、智能航行与无人船研发，高保真仿真正全面替代高成本、长周期的物理试验。

随着 CFD、结构力学、多体动力学、电磁与智能算法 的深度融合，航海仿真正从“验证工具”升级为“设计引擎”。而支撑这一切的，是不断演进的 高性能图形工作站与计算架构。

一、航海领域仿真计算主要涉及哪些方向？

 船体水动力与阻力性能仿真（核心）

这是航海仿真的基础与核心。

主要研究内容

• 船体兴波阻力、摩擦阻力

• 船舶耐波性（纵摇、横摇、拍击）

• 船舶操纵性（转弯、航向保持）

• 船-波-流耦合效应

涉及算法

• RANS / URANS

• LES（大涡模拟）

• VOF 自由液面追踪

• 动网格、多相流

特点：
计算规模大、时间步长小，对 CPU 核心数、内存和存储 I/O 要求极高。

 推进系统与螺旋桨仿真

仿真对象

• 螺旋桨水动力效率

• 空化、噪声与振动

• 船-桨-舵耦合

关键算法

• 非定常 CFD

• 空化模型（Schnerr–Sauer 等）

• 流固耦合（FSI）

应用价值
显著减少水池试验次数，快速完成多工况对比。

 船体结构强度与疲劳分析

典型应用

• 船体总体强度

• 局部结构应力集中

• 波浪载荷下的疲劳寿命预测

主要算法

• 有限元分析（FEM）

• 随机波载荷谱分析

• 动态响应分析

特点
自由度多，模型规模大，对内存容量要求突出。

海洋环境与海工装备仿真

应用场景

• 海浪、海流、风场模拟

• 海洋平台稳定性

• 深海装备受力与运动分析

计算特征

• 多尺度

• 长时间仿真

• 多物理场耦合

 航海电子、电磁与通信仿真

涉及内容

• 船载雷达、电磁兼容（EMC）

• 天线布设与通信覆盖

• 海上导航与探测系统

主要算法

• FEM / MoM / FDTD

• 高频电磁场仿真

典型软件
对 CPU 单核性能 + 内存带宽敏感。

 智能航行与无人船仿真（新趋势）

仿真内容

• 航线规划

• 碰撞规避

• 编队航行

• 智能决策验证

技术融合

• 数值仿真 + AI + 数字孪生

• 强化学习 + 航行仿真环境

趋势
GPU 计算占比快速提升。

二、航海仿真常用工具软件体系

 CFD 与水动力软件

 结构与强度分析

 多体动力学与耐波性

• SIMO / SESAM

• OrcaFlex

• AQWA

电磁与电子系统

• HFSS

• CST Studio Suite

• FEKO

智能航行与仿真平台

• MATLAB / Simulink

• ROS / Gazebo

• Python + 自研仿真系统

三、航海仿真对计算硬件的核心需求

航海仿真具有三个显著特征：

算得久、算得大、算得稳

这对工作站架构提出了明确要求。

四、航海仿真工作站最新硬件配置架构建议

 CPU 架构（仿真主力）

核心需求

• 高核心数

• 大缓存

• 稳定长时间满载

推荐方向

• AMD EPYC 9004/9005 系列

• Intel Xeon Scalable（第五代）

GPU 架构（AI + 可视化 + 新一代仿真）

典型用途

• AI 加速仿真

• 后处理可视化

• 智能航行算法训练

推荐

• NVIDIA RTX 6000 Ada

• NVIDIA A100 / H100（服务器级）

显存建议：

• ≥ 24 GB（基础）

• 48–80 GB（工程级）

 内存（RAM）

• 船体 CFD / FEM 模型自由度高

• 推荐配置：

  • 256 GB（中等规模）

  • 512 GB – 1 TB（大型模型）

存储与 I/O 架构（极其关键）

推荐架构

• 本地 NVMe SSD（仿真计算）

• 大容量 SATA / NAS（归档）

• 高速缓存盘

 建议：

• ≥ 2 × 7.68 TB NVMe

• RAID / 并行文件系统

典型航海仿真工作站示例

高端航海仿真工作站

• CPU：双路 AMD EPYC 9654

• GPU：2 × RTX 6000 Ada

• 内存：512 GB DDR5

• 存储：2 × 7.68 TB NVMe + 数据盘

• 网络：25G / 100G（支持集群）

五、从单机到集群：航海仿真的算力升级路径

• 个人研究 / 设计验证 → 高端工作站

• 整船多工况分析 → 多节点 CPU 集群

• 智能航行 / 数字孪生 → GPU + CPU 混合架构

趋势明确：

航海仿真正在走向 “HPC + AI + 可视化一体化平台”

六、结语：算力正在成为航海工程的新“船体钢材”

在航海工程领域，谁拥有更强的仿真能力，谁就拥有：

• 更短的设计周期

• 更低的试验成本

• 更优的性能指标

• 更强的智能化升级空间

而高性能工作站与计算平台，正是这一切的底层基础设施。