基于快速性的船型優化及其在三用工作船中的應用＊

李俊來 謝永和 吳衛國 陳景昊

（浙江海洋學院船海學院1） 舟山 316022） （武漢理工大學交通學院2） 武漢 430063）

0 引 言

三用工作船是一種集海上拖帶、平臺供應、對外消防等功能于一體的多功能船舶，兼有海上救助、海上平臺守護、幫助海上設施布錨及起錨等功能［1］。這類船大部分作業都是后甲板進行的，經常要經受風浪流的聯合載荷作用，甚至需要在惡劣天氣下作業；另外，其船體小及干舷低，受風浪影響大，在風浪中搖晃厲害，甲板面特別是后甲扳在天氣惡劣時上浪嚴重.

近年來，世界各國海上油氣田資源的爭奪和開發日益激烈，相關裝備產業也快速升級，三用工作船作為最主要的海上油田輔助工程裝備，已經成為當前國內外爭相發展的重點.鑒于其高科技含量和特種作業的復雜性特點和以往工作中多發事故等因素，為確保三用工作船能安全正常高效地工作，使之能在復雜的海況條件下及時配合海洋工程作業，對船型進行深入細致的船型優化研究必將受到人們的重視.

1 CFD船型優化技術的內涵

船型優化設計實際上是一個最優化問題，從數學的觀點來看，其數學模型描述如下：

式中：f（x）為優化問題的目標函數；g（x）為約束函數；x為設計變量；集合D為設計空間［2］.在船型優化設計時，目標函數f（x）就是船舶的各項水動力性能，如船舶阻力、縱搖、垂蕩等；用來控制船體幾何并能夠根據優化算法進行調整的的參數為設計變量x；船體幾何外形的限制條件即是約束條件g（x）.優化問題的設計變量與目標函數之間不是簡單的數學函數映射關系，聯系二者需要通過船型優化問題中的CFD工具［3］.基于CFD的船型優化問題其內涵就是在給定幾何約束條件下，求解船體幾何參數最優性能目標，從而獲得最優船型.

CFD船型優化技術涉及到了CFD技術、優化技術、船體幾何表達及重構等技術的船型優化，關鍵是在如何形成一個自動化的優化平臺以及如何建立這些功能模塊之間的聯系，從而成功實施船型優化.

ICAO組織針對標稱失真提出了2-OS模型，失真模型可分為三類：數字失真、模擬失真和混合失真.數字失真發生在有效載荷基帶信號產生單元的數字部分，發生數字失真時偽碼信號中正碼片和負碼片的時間寬度不再相等.模擬失真是描述導航衛星有效載荷通道特性的模型，它包含兩個衰減因子σ和振蕩頻率fd參數，模型的s域表達式為：

CFD的船型優化方法涉及到多個技術領域，要在一個平臺上體現這些技術的綜合集成，并實現自動化操作，由于所涉及到的技術領域實際上大部分已經相當成熟，已有的成果可以直接應用，可通過由簡到繁逐步深入的方法來逐步進行實際操作.適用船型優化的具體優化流程見圖1［4］.

2 CFD數值模擬優化

圖1 基于CFD的船型優化流程

本文主要以78m三用工作船為研究對象進行優化比較研究，旨在為今后類似工程船舶開發和設計提供一個數據參考.本優化船舶為鋼質，單甲板，單機，單槳、單舵、艉機型柴油機推進，具有球首，能為海上石油工程提供多種特點作業服務的三用型守護船，航行于無限航區、近海航區.

根據船體型線建立船體模型，進行控制域網格劃分，共計單元571 386個單元，船體區域網格劃分如圖3至圖4所示.基于CFD數值分析的阻力信息提取見圖5.

其次，是要備好學生。學生是教學的主體，教師在備課時勢必要充分地考慮到學生因素。具體而言，學生的個性發展差異、認知水平差異、興趣愛好差異、特長與不足上的差異等，都是教師在備課時可以綜合考慮的問題，表現在教學計劃中，即可以有：對不同基礎的學生設置不同的教學任務；在具體的數學課題中安排擅長這類課題的學生來解答或請其在黑板上解題并講解；靈活安排某些狀態有點松懈的學生的表現，提攜其學習狀態；注重在教學中給以那些比較拘謹、不愛表現的學生以心理的勉勵并為他們提供適宜的表現機會；等等。

2.1 船型優化前后對比

在設計航速Vs＝15kn時，優化前后船舶阻力變化對比見表3.

表1 優化前后船體主尺度比較

圖2 船體線型優化前后比較

2.2 建模及船型數據提取

2.公司層面與業務層面的共同點。公司層面與業務層面的共同點主要體現在三方面。一是控制遵循的原則基本一致。即都要遵循全面性原則、重要性原則、制衡性原則、適應性原則、成本效益原則；二是控制實現的總體目標是一致的。即都圍繞實現生產經營目標、財務目標和合規目標而實施；三是防范的基本風險是一致。即主要為了經營風險、防范戰略風險、法律風險和財務風險。

圖3 船體網格劃分

圖4 船體首部網格局部放大示意圖

圖5 船型數據的提取過程

3 優化結果與數據分析

根據優化前后CFD數值計算的船體表面壓力值和摩擦阻力值，進而計算船舶各部分阻力見表2.

根據數值模型計算后船舶各部分阻力結果，分析比較船體阻力情況見圖8.

圖6 水平面繞船壓力云圖

鑒于三用工作船的屬低速船，船舶阻力中摩擦阻力占據了絕大部分，雖然優化之后船舶興波阻力有所增加，但總體來說，船舶阻力下降的趨勢非常明顯，所以此優化結果可以改善三用工作船的阻力性能.

圖7 水平面繞船壓力云圖

3.1 優化數值模型阻力性能比較

船體表面壓力分布會影響阻力計算的精度［5－9］.通過CFD數值計算得到不同航速下繞船體的粘性流場物面壓力數值.圖6～圖7分別給出了部分船體表面總壓力分布計算結果云圖.

表2 優化前后船舶各項阻力比較

3.2 結果比較和分析

制冷系統和配電系統是數據中心中能源消耗最大的兩個系統，相對于這兩個系統而言，其他系統或設備如消防、監控、環境照明等的耗電量幾乎可忽略。因此，可推導出以下近似公式：

圖8 優化前后船舶總阻力比較

根據優化設計指標要求，綜合考慮L／B和船首線型變化對快速性、耐波性的影響，對三用工作船進行幾何外形優化重構，得到新的船型主要要素與原船型對比見表1.船體優化前后線型變化見圖2.

表3 設計航速下優化前后阻力比較 kN

從圖中可以看出，隨著航速增加，船舶航行中首部往后至船中前，表面壓力隨之增加，船體尾部壓力也有增加，但增加值不如首部大.計及升沉及縱傾后，船體表面壓力計算值能夠更好地反映船體姿態變化的影響，從而得到比較精準的阻力值.

4 船模試驗驗證

本次試驗對象是優化后的三用工作船船模，在浙江海洋學院船模拖曳水池進行了船模靜水阻力拖曳試驗研究.試驗船模主要尺度見表4.

在魚、蟹、甲魚等養殖中，也可以套種一些青蝦、黃鱔等新品種來養殖。還需要促進整體的混合養殖，將龜、蟹、青蝦等養殖品種和魚類進行混合養殖，可以將其中的一個品種作為主體，并在有限的水體資源中充分應用，將達到經濟效益的提升。

船模試驗采用木制船模，在艏垂線（艏柱前緣與設計水線交點處的垂線）后1／20垂線間長處安裝1mm的激流絲，阻力試驗按要求做了兩個載況（設計吃水載況和結構吃水載況）.試驗的船模外型見圖9，船模壓載到設計吃水載況見圖10.

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表4 參試驗船模主要尺度數

圖9 船模首部

圖10 設計吃水載況狀態

對不同速度下的船模試驗阻力結果以及換算得到的相當速度下的數值分析數據比較見表5和圖11.

表5 船模CFD模擬與船模試驗結果對比

圖11 船模CFD模擬與船模試驗結果對比曲線圖

從表5與圖11中可以看出，在低速情況下，Fr在0.076～0.229時，經CFD數值優化的模擬數據與船模阻力試驗結果基本上都吻合，結果誤差相差很小，Fr從0.267以后，CFD優化的結果與試驗驗證結果差異逐漸拉開，即航速持續加快后，CFD優化的結果偏差比較大.

本文采用CFD數值方法計算了2條三用工作船（原型和改進型）的阻力性能.考慮三用工作船的作業服務特點，要求低速（≤15kn）巡航于海上石油平臺附近，為海上石油平臺提供物資和材料等工作要求［10］，通過計算值和試驗值的數據對比可知，在一定弗勞德數范圍內CFD數值模擬結果能很好地顯示船型變化對阻力性能的影響，因此基于快速性的CFD技術在三用工作船的船型優化應用中可以取得比較好的效果.

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