集裝箱船線型優(yōu)化研究

陳 康，周志勇，魏菲菲

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200032）

0 引 言

傳統(tǒng)的船體線型經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法周期較長(zhǎng)，較強(qiáng)依賴于線型設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和母型船性能的優(yōu)劣；引入CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）技術(shù)并與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合則能明顯提高設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期，大大提高目標(biāo)船的快速性能。

通過(guò)對(duì)相關(guān)科研課題的攻關(guān)研究[1,2]，已形成了相應(yīng)的船舶快速性能優(yōu)化和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在船舶CFD技術(shù)的實(shí)用性方面取得了進(jìn)展，并基于CFD技術(shù)在船舶線型設(shè)計(jì)和研究中形成了快速響應(yīng)能力。基于該設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和流程研發(fā)的多個(gè)船型基本都能夠一次模型試驗(yàn)即滿足船舶快速性能指標(biāo)，在與歐洲著名水池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中類似船型的性能比較中均處于優(yōu)秀船型的級(jí)別。

2010年，國(guó)內(nèi)某船廠在獲得某型集裝箱船（以下簡(jiǎn)稱“某船”）的批量建造訂單后委托國(guó)外某設(shè)計(jì)公司進(jìn)行船體線型設(shè)計(jì)，后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)則由國(guó)內(nèi)完成。考慮到國(guó)外公司所提供線型的專屬性，上海船舶研究設(shè)計(jì)院（上船院）于2011年年初同步進(jìn)行了該型船的線型開(kāi)發(fā)，一可以充實(shí)船型數(shù)據(jù)庫(kù)，二則隨時(shí)滿足市場(chǎng)上其他單位或機(jī)構(gòu)對(duì)該船型的需求。

1 船型主要特征

某船的方形系數(shù)BC 值約0.675，長(zhǎng)寬比 /L B值約5.9，寬度吃水比 /B T值約3.2，設(shè)計(jì)航速對(duì)應(yīng)的傅汝德數(shù)rF約0.254，屬中高速淺吃水船型。按照以往線型設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，較小的 /L B值、較大的BC 值和 /B T值不僅不利于阻力性能，而且使螺旋槳尾流工作面積小，導(dǎo)致推進(jìn)效率較低[3]；該船航速要求較高以及船型系數(shù)特征使得船體線型設(shè)計(jì)上存在一定難度。

2 線型設(shè)計(jì)

2.1 線型研發(fā)流程

在某船的線型研發(fā)過(guò)程中，依據(jù)已有的線型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和流程，首先在船型數(shù)據(jù)庫(kù)中依據(jù)目標(biāo)船的船型系數(shù)如BC、/L B、/B T和設(shè)計(jì)航速等相關(guān)參數(shù)，選取合適的優(yōu)秀母型船及船型系數(shù)相近的優(yōu)秀船型若干型，在母型船基礎(chǔ)上結(jié)合新船的特點(diǎn)進(jìn)行變換，并形成初步線型。然后依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并參考相近優(yōu)秀船型的線型特征對(duì)該船線型開(kāi)展細(xì)致的改型。在改型的不同階段結(jié)合船型優(yōu)化軟件和船舶 CFD軟件進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化和數(shù)值計(jì)算以指導(dǎo)和判斷線型設(shè)計(jì)的方向。

2.2 母型選取

通過(guò)與船型數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)船型的比較、分析，將某型集裝箱船作為母型，按照新船主尺度的要求進(jìn)行變換得到目標(biāo)船的初始線型。母型船和目標(biāo)船的一些主要船型參數(shù)比較如表1所示。

表1 母型船與目標(biāo)船的部分參數(shù)比較

2.3 實(shí)施改型

較高的航速?zèng)Q定了該船的興波阻力將在總阻力中占較大比重。因此該船的線型設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一在于如何有效地降低船體興波阻力成分。在初始線型基礎(chǔ)上，依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)浮心位置、設(shè)計(jì)水線進(jìn)流段形狀、球艏逐一調(diào)整；同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算及優(yōu)化，比較各個(gè)方案的波形、興波阻力系數(shù)等要素并選取最佳方案，從而為改型提供方向。

在改型過(guò)程中進(jìn)行的CFD優(yōu)化計(jì)算通常分為全船的縱向排水體積分布的優(yōu)化計(jì)算和針對(duì)船體局部的改型優(yōu)化計(jì)算。這2種優(yōu)化計(jì)算可以分別開(kāi)展，也可以在一次優(yōu)化計(jì)算中同時(shí)進(jìn)行。

船體的縱向排水體積分布可以以橫剖面面積曲線（SAC）的形式表現(xiàn)，而通過(guò)拉氏變換（Lackenby變換）可以實(shí)現(xiàn) SAC曲線形狀的變化，即通過(guò)拉氏變換來(lái)尋求與設(shè)計(jì)航速匹配的最佳縱向排水體積分布。某船的改型過(guò)程中也開(kāi)展了基于拉氏變換的優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化計(jì)算前后的SAC比較如圖1所示，波形及不同橫向位置波高比較如圖2、3所示（圖3中Y為沿船寬方向至舯縱剖面的距離，L為船長(zhǎng)，以下同）。結(jié)果表明優(yōu)化后船體的興波阻力能夠降低約6.7%，針對(duì)縱向排水體積分布的優(yōu)化計(jì)算取得了較好的效果。

圖1 優(yōu)化前后SAC比較

圖2 優(yōu)化前后波形比較（上方為優(yōu)化方案）

船體局部的改型優(yōu)化主要針對(duì)球艏、球艉等進(jìn)行。由于具有高航速的特點(diǎn)，在改型過(guò)程中對(duì)球艏部分進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化計(jì)算可以降低由于球艏導(dǎo)致的興波阻力成分，從而提高整船的阻力性能。如圖4所示，通過(guò)對(duì)船體球艏的高度、寬度施加Delta Shift變換實(shí)現(xiàn)對(duì)球艏的改型。在對(duì)每個(gè)改型開(kāi)展數(shù)值計(jì)算之后則可通過(guò)比較獲得較佳的球艏形狀。圖 5、6為優(yōu)化前后波形及不同橫向位置波高的比較。從圖中可以清楚看出球艏形狀優(yōu)化之后波型有了明顯的改善，阻力性能隨之得以提高。

圖3 基于拉氏變換優(yōu)化前后不同橫向位置處的波高比較

圖4 球艏Delta Shift變換

該船的艉部線型設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在滿足機(jī)、槳、舵布置的前提下，協(xié)調(diào)船體阻力和推進(jìn)效率以獲得最佳的船體快速性能。采用CFD技術(shù)計(jì)算得到的船體阻力分量值及艉部伴流場(chǎng)分布，則同樣可以作為艉部改型的指導(dǎo)。圖7即為某船在改型過(guò)程中原型DES0000與優(yōu)化方案 DES0018艉部槳盤面處速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的比較。對(duì)于該型高速淺吃水船型，在興波阻力有明顯改善的前提下，線型的改動(dòng)若對(duì)艉部伴流場(chǎng)無(wú)明顯影響，則可認(rèn)為改型的方向是正確的。

圖5 球艏優(yōu)化前后的波形對(duì)比（上方為優(yōu)化方案）

圖6 球艏優(yōu)化前后不同橫向位置處的波高比較

圖7 原型與優(yōu)化方案槳盤面處伴流云圖比較

在經(jīng)過(guò)總體、輪機(jī)等相關(guān)專業(yè)的進(jìn)一步校核及相應(yīng)的局部線型修改之后，最終線型遞交給水池用于模型加工及船模試驗(yàn)。

3 船模試驗(yàn)結(jié)果比較

2種設(shè)計(jì)方案的部分特征橫剖線及橫剖面面積曲線對(duì)比如圖8、9所示，船模試驗(yàn)均在國(guó)內(nèi)水池進(jìn)行。圖10、11所示庫(kù)存槳試驗(yàn)結(jié)果[4]表明在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下2種方案都能滿足航速指標(biāo)，而對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)航速點(diǎn)上船院方案的螺旋槳收到功率DP相對(duì)低3.6%，比預(yù)報(bào)的航速則高0.12kn；在低速段范圍內(nèi)上船院的設(shè)計(jì)方案繼承了優(yōu)秀母型船的特點(diǎn)，快速性能表現(xiàn)更為合理。

圖8 兩方案部分特征橫剖線比較

圖9 兩方案橫剖面面積曲線比較

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)船模試驗(yàn)預(yù)報(bào)的結(jié)果可以看出，上船院結(jié)合傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和CFD數(shù)值模擬技術(shù)所研發(fā)的某船線型完全能夠滿足潛在船東對(duì)船舶快速性的要求。與另一方案的線型相比，低速到高速較大范圍內(nèi)的快速性能更加優(yōu)異，能滿足船東在不同階段采取不同運(yùn)營(yíng)航速的要求以節(jié)省油耗、降低運(yùn)營(yíng)成本。

某船線型的成功研發(fā)再一次證實(shí)該船舶快速性能優(yōu)化和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的有效性，也表明基于優(yōu)秀母型船的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與CFD技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念相結(jié)合不僅能夠保留原型船的優(yōu)秀性能特征，而且能夠在其基礎(chǔ)上使得船舶快速性能獲得更進(jìn)一步的提升，從而滿足市場(chǎng)對(duì)綠色環(huán)保、高效節(jié)能型船舶的需求。

圖10 設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)剩余阻力系數(shù)曲線比較

圖11 設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)收到功率曲線比較

[1] 上海船舶研究設(shè)計(jì)院.基于CFD的船舶快速性能優(yōu)化技術(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究[R].2009.

[2] 陳 康，周志勇，魏菲菲.基于CFD技術(shù)的散貨船線型優(yōu)化研究[J].上海造船，2011, (1)：50-54.

[3] 錢文豪.船舶型線設(shè)計(jì)（續(xù)1）[J].船舶，1998, (2)：47-55.

[4] 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所.2000箱級(jí)集裝箱船模型試驗(yàn)研究報(bào)告（庫(kù)存槳）[R].2011.