某拖蝦船船型優化設計

王鳳琴，魏 斌

(1.紫瑯職業技術學院，江蘇 南通 226002;2.江蘇省無錫交通高等職業技術學校，江蘇 無錫 214151)

0 引言

東海的桁桿拖蝦作業，開始于20世紀70年代末［1］，80年代隨著蝦類資源調查的開展，開發了外海新的蝦類資源和漁場，拖蝦作業得到迅速發展，已成為海洋捕撈業中規模較大，產量較高的一大作業。但是漁業是一個高耗能、高風險的產業，燃油成本占整個捕撈成本近70%。近年來，隨著柴油價格不斷上漲，拖蝦作業整體效益正逐年下降。為了應對油價持續上漲，一方面，漁民延長海上作業時間，減少回港次數，節約燃油成本;另一方面，多年來國內高校及科研機構一直致力于節能船型的研究［2～6］。開展拖蝦漁船型優化設計工作，可以促進漁業船舶環保、節能技術的發展，提高拖蝦漁船的經濟性能，加快漁業船舶標準化進程。

1 主要量度及母船型線改造

1.1 主要量度

1.2 母船型線改造

橫剖面面積曲線改造是運用母型船改造法生成設計船型線的基礎，其結果直接影響設計船的阻力性能、航行性能和營運經濟性［7］。修改橫剖面面積曲線的基本原理為將各站橫剖面面積通過沿縱向移動一個距離來實現修改面積曲線特征值。

本文根據母型船的橫剖面曲線，應用“1－Cp”法將橫剖面面積曲線分為前后半體，分別對其進行修改。方法為:將半體面積曲線及修改參數無因次化，僅改變棱形系數Cp，保留原有曲線基本形狀條件下修改得到新的橫剖面面積曲線。

設修改函數為:

該函數的邊界條件為:x=1.0時，δx=0。由約束條件:

得:a=δCPF/(1－CPF)，代入式(1)得:

對于后半體，同理可得修改量δx的表達式:

對于初始的面積曲線，通過近似積分計算得到CPA和CPF，應用經驗公式:

根據新船的XB、Cp估算出新船的CPF和CPA，從而求得 δCPF和 δCPA。

以上各公式中字母所表達的含義如下:

δx為各站橫剖面面積通過沿縱向(X)移動的距離;CP為棱形系數;CPF為前半體棱形系數;δCPF為CPF的修改量;CPA為后半體棱形系數;δCPA為 CPA的修改量;xB為母船浮心縱向位置;XB為新船浮心縱向位置;a為數值;x為橫剖面在縱向位置。

利用母型改造方法設計型線，若橫剖面形狀和中剖面系數不做修改，那么橫剖面面積曲線修改后，可以利用插值的方法生成型線。在修改后的橫剖面面積曲線圖上，量取各站處新船與母型船橫剖面面積百分數相同的距離δxi，然后在母型船的水線圖上距對應站 δxi處量取各水線半寬 yij，再乘上 B/B0(型寬線性改造的比例值)，最后得到新船各站半寬型值。

2 數值模擬與結果分析

經線型優化后的4種船型通過FLUENT前處理軟件GAMBIT建立三維數值模型。由于船的左右對稱性，取1/2流場進行計算，取右手坐標系O-XYZ，坐標原點O位于艉柱基線高度，X軸指向船首為正，Z軸垂直向上為正。整個計算域呈1/4圓柱，入口邊界選取在離船前1個船長處，出口邊界取在距船尾2倍船長處，船側和深度半徑取1個船長，對稱面上設為對稱邊界。考慮自由液面的影響，設空氣層的高度為2倍水線面高度，在自由面追蹤上采用流體體積(VOF)方法，流場計算方法采用SAMPLE算法，時間方向上采用一階格式隱式求解，空間方向上采用二階迎風格式計算模型。

計算域的網格劃分過程中，整個計算域網格數在120萬左右，采用了結構化與非結構化網格結合的方式進行網格劃分。為了較準確地捕捉船體附近流場特性，在靠近船體區域設置較密網格，然后成一定膨脹系數向外布置。該方式使網格數目大幅消減，節約計算時間，提高計算效率。

4種不同橫剖面面積曲線的新船型在設計航速相同情況下實船的有效功率數據見表1，其中Fn為船舶傅汝德數，PE為有效功率。母船在設計航速時有效功率為190.16 kW。

表1 實船有效功率

從4種新船船型數值模擬計算結果可以得出，新船型繼承了母船型良好的阻力特性，其中新船Ⅲ優化效果顯著，有效功率降低達2.84%，其型線圖如圖1所示。

圖1 拖蝦船線型圖

3 討論

母船改造法是傳統的船舶設計方法。它具有使新船型繼承母型的一些優秀特征，并且方法簡單和實用的特點，在船舶型線改造設計中被廣泛應用。母船改造法要求已知母型型線的詳細描述，由設計者指定設計船型的前、后體的棱形系數;同時它假定母型和子型的中橫剖面系數相同，通過改變母型的平行中體長度和進、去流段的棱形系數來得到具有設計要求的方形系數或棱形系數的新船型。

型線設計要考慮船舶良好的航海性、總布置要求、船體結構合理和公益性、外觀造型，此外還應該滿足型線設計精度的基本要求。隨著計算機軟硬件條件的不斷改善，計算機仿真技術的引入，使以往傳統的船舶設計、性能計算得到改進，進入一個科技含量更高的解析時代。計算流體動力學(CFD)在船舶工程領域發揮著越來越重要的作用，設計人員可以在較短的時間內，利用CFD技術，精確地對船舶繞流場進行數值預報，分析船體的水動力性能。目前雖數值模擬不能完全代替傳統模型試驗，但是通過計算典型工況，分析優化確定較優的船型，可避免模型試驗的盲目性，縮短了試驗周期，節約了成本。本文利用母船改造法與數值模擬相結合的設計思路，對4種不同船型性能曲線進行仿真模擬，從中選出滿足給定性能指標的最優船型。圖2、圖3可以直觀的體現船體水動力諸多特性。

圖2 壓力云圖

圖3 自由液面

母船改造法型值人工生成插值生成型線的方法，工作量大，效率低。如何使用計算機通過人機交互的形式，實現船體型線的設計生成，使現代化高效率的程序在船舶設計中更加廣泛有效的得到應用，是今后船型優化研究工作的目標。開發自動生成的計算程序，通過電子計算機的快速運算，使之能在滿足設計要求的前提下得到實用、光順而且優美的船體型線，可以減輕設計人員的工作強度，提高設計效率和設計質量，縮短造船周期。

4 結語

母船改造法生成型線，主要改造內容有主尺度變換、橫剖型線和水線形狀的改造、橫剖面面積曲線的改造、設計水線以上的型線、靜水力計算等。由于受諸多參數影響，存在不確定性，本文僅通過改造橫剖面面積曲線得到優化船型。理想的船型最優設計需要仿真計算與最優化理論和方法進行有機的結合，組成多個典型計算工況，自動循環搜索最優船型的數值，經過分析優化選取確定最優船型，船模型試驗給予進一步的驗證。

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