21萬噸散貨船艏部型線優化設計及阻力計算

王璐璐

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

21萬噸散貨船艏部型線優化設計及阻力計算

王璐璐

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

FRIENDSHIP-Framework是集CAD和CFD為一體的CAE系統平臺，該平臺為實現建立函數化曲面的仿真驅動設計而開發。在掌握FRIEDNSHIP-Framework的功能及其應用的基礎上，以21萬噸散貨船線型優化為工程背景，運用Shipflow軟件為計算工具，利用FRIEDNSHIP-Framework軟件對船舶艏部區域進行局部線型優化設計，改善船首波形及船體表面壓力分布，最終達到減小興波阻力的目的。

散貨船；興波阻力；艏部優化；航速預報

0 引言

船體型線的優化設計是改善船舶性能的關鍵，對于船舶型線的方案設計和論證需要頻繁地修改船型設計方案，能否快速生成多種目標線型成為了優化設計的關鍵。針對這種情況DNV·GL公司開發了基于仿真驅動設計的船型參數化設計系統FRIENDSHP-Framework，該軟件能夠在方案設計階段就建立三維模型，通過參數設置快速建立多個方案所關聯的三維模型，此軟件的開發對于開發新型船舶和船舶方案論證都具有深遠的意義。

完成型線優化后，需要對船舶進行性能驗證，而船模拖曳水池作為研究船舶性能的重要手段一直在船舶型線的研究和設計中發揮著重要的作用，其結果至今仍是新船船型開發中不可或缺的重要數據。尤其是伴隨著EEDI的生效，船模試驗數據已經被應用到船級社頒發EEDI證書過程的計算中，但該方法也存在著一定的缺點：一是花費大，在水池做一次船模試驗包括快速性和自航，進行壓載吃水、設計吃水及結構吃水幾個狀態就要花費100萬人民幣左右；二是周期長，將線型提供給水池后，水池加工船模需要近一個月的時間，如果算上排隊做船模試驗的等候時間和實驗數據處理分析的時間，船模試驗的整個周期一般要在4～5個月左右，并且船模試驗對水池具有很強的依賴性。

在船舶快速性性能計算領域，CFD已經成為船舶型線設計和優化的重要手段，在國內外各大船廠、設計院都得到了廣泛應用。CFD與以往先制作船模再進行水池試驗相比，船型開發的時間和費用都大幅度下降，有利于更好地提高所開發船型的性能，大大減少開發前期對船模試驗水池的依賴。

1 軟件介紹

FRIENDSHIP-Framework是集CAD和CFD為一體的CAE系統平臺，該平臺為實現建立函數化曲面的仿真驅動設計而開發。而FRIENDSHIP-Framework軟件的求解器SHIPFLOW是造船界廣泛認同的功能最全面完善的計算船舶阻力性能的CFD軟件之一，是FLOWTEC公司、瑞典國家船模試驗水池SSPA與CHALMERS工程技術大學共同開發并正在不斷完善的一款CFD軟件，它基于非線性自由面勢流理論和雷諾平均N-S方程，能夠完善地解決船舶阻力理論計算的問題。

2 船舶介紹

本船為單螺旋槳、艉機型散貨船，可裝載谷物、煤炭等。本船垂線間長294米，型寬49米，型深25.3米，設計吃水和結構吃水分別是16.1米和18.6米，在設計吃水CSR點下船舶服務航速為14.2節。

3 線型優化

在日本設計公司設計的21萬噸線型基礎上，對船舶艏部區域進行局部線型變化，改善船首波形及船體表面壓力分布，最終達到減小興波阻力的目的。

在船首240米到294米處建立一個控制面，如圖1所示。通過控制面內選擇合適位置的控制點，如圖2所示，來變化艏部型線。

圖1 船艏線型變化范圍

圖2 控制面內選取的控制點

設置兩個參數分別為lower和higher，圖2中下排的控制點坐標的Y值設為lower，將上排控制點坐標的Y值設為higher，這樣就可以通過這兩個函數變量來直接控制艏部的變形量。如圖3所示，通過給函數lower和higher賦值改變艏部線型。

建立EnsembleInvestigation變換，給higher和lower函數各賦9個值，如圖4（a）所示。自由組合后即生成81個方案，如圖4（b）所示。

4 CFD計算

圖3 艏部型線變化前后對比

圖4 多方案EnsembleInvestigation變換

在利用CFD進行船舶阻力計算時，通常依據傅汝德假設，認為興波阻力和粘性阻力是彼此獨立的，且分別與傅汝德數和雷諾數有關。因此計算時依據勢流理論，不考慮粘性而僅考慮自由表面影響計算興波阻力，不考慮自由表面影響來求解粘性阻力。

進行CFD計算時，計算模型尺寸與實船相同，fn與Rn采用船模尺度下的數值，進行自由面的非線性設置，網格采用軟件默認的FINE網格，在設計吃水16.1米下進行勢流和粘流計算。

5 結果分析

5.1 興波阻力分析

對生成的81個方案進行勢流理論計算獲得波形圖和船體表面壓力分布，其中第40個方案為未變形型線的計算結果。圖5下半部分為未變形方案的波形圖，上半部分為81個方案中波形最好的方案，通過兩個方案的對比圖可以看到優化后的方案波形要優于原方案，優化后的船型具有更平緩的波形，船體中部的波形得到了明顯改善。

圖6（a）為優化后的船體表面壓力分布，圖6（b）為型線變化前船體表面壓力分布，可以清楚看到，優化后船體中部的表面壓力趨于均勻，這樣的壓力梯度會減少漩渦的形成，從而改善粘壓阻力的影響。觀察船舶舷側的興波，優化后的船型具有更小的波浪，這與前面根據船體表面壓力分布的分析結果是一致的。原型的船體中部表面壓力有明顯的低壓區，位置高的低壓區域會直接導致在其附近形成一個波谷，而且在同等情況下，壓力越低，形成的波谷就會越大。原型船體表面的低壓區域更大些且數值更低，這就導致了在其低壓的幾個區域形成若干個波谷，從而對整個波系產生不利影響。而兩個船型在船體位置低一些的位置，低壓區域大小幾乎相同，所以在較低的位置減小興波能量時兩個線型沒有太大區別。

經過CFD計算，得出變形前的興波阻力系數為0.000 411 6，優化后的興波阻力系數為0.000 394 3，可見經過艏部優化后的線型在興波阻力上較原線型有一定地降低。

圖5 自由液面波系比較（下方為原型，上方為改型）

圖6 船體表面壓力分布圖

為了更形象地描述波浪的幅值，在船側生成了縱切波圖，如圖7所示，發現優化后線型在船中部波峰和波谷的峰值得到了改善，這將有利于降低興波對船體阻力的貢獻。

圖7 船體舷側波分布圖

從FRIENDSHIP-Framework優化結果來看，優選的方案興波阻力明顯下降。由于僅修改艏部線型，對艉部的螺旋槳伴流影響不大，總體來說，優化起到了一定的作用。研究表明，適當修改艏部線型，減小艏部的進水角能夠更好地減小興波阻力的影響。

5.2 航速預報

5.2.1 實船總阻力計算公式

根據IITC 1957推薦的方法進行計算：

式中Rns——Vs=14.5節時的雷諾數。

根據此公式，得到實船的摩擦阻力系數：

式中ks——船體表面粗糙度，水池取150× 10-6或125×10-6；

Lwl——水線長。

由此，計算得到船體表面粗糙度補償值：

式中AT——水線以上船體及上層建筑在橫中剖面的投影面積；

S——濕面積。

式中S——實船的濕表面積；

Sbk——舭龍骨面積；

Cr——船模剩余阻力系數；

CAA——空氣阻力系數。

式中ρ——15℃下海水密度；

V——設計吃水下的服務航速，m/s。

根據螺旋槳敞水試驗得到螺旋槳敞水性征曲線，如圖8所示。從圖中可以得到，進速系數J，敞水轉矩系數KQ，敞水效率Etao和相對旋轉效率Etar。根據公式tm=（T-R）/T，求出推力減額系數；根據公式ωm=1-JnD/Vm，求出船模的伴流分數；根據公式Etah=（1-tm）/（1-ωm），求出船身效率，最后根據Etad=Etao·Etah·Etar求得推進效率。

實船伴流分數為

1981年第十六屆國際船模試驗池會議建議：采用功率因子CP及轉速因子CN進行修正，CP和CN的數值由各水池根據自己積累的經驗統計資料決定，一般情況下：

CP=0.97CN=0.99（結構吃水和設計吃水）；

CP=1.00CN=1.00（壓載吃水）。

最后根據計算結果畫出功率、航速及轉速曲線圖。

由此得到實船的總阻力系數：

圖8 螺旋槳敞水性征曲線

5.2.2 計算結果轉化

經過CFD計算得到原型及優化后的數值，如表1所示。根據計算公式得到航速預報結果，如表2所示。

表1 FRIENDSHIP-Framework軟件計算結果

表2 航速預報

經過計算可知原型和優化方案的排水量相差不大。表1中給出了原形和優化后的阻力系數。通過興波阻力系數的比較可以看出，優化方案的興波阻力系數較原型下降約4.2%，在航速為14.5節時實船總阻力系數下降1.7%（如表2所示）。

對已設計好但性能不夠理想的船舶線型，通過局部改型來改善船舶阻力和節省能耗是一種行之有效的方法。

6 展望

本次優化只是針對艏部線型進行變化的，通過減小艏部進水角來優化自由面波形及減小興波阻力，未來我們還可以進行以下幾個方面的工作：通過艉部的型線優化來降低粘壓阻力，進一步降低總阻力系數；通過優化浮心位置來降低總阻力系數；進行自航計算，通過優化艉部線型來改善螺旋槳盤面的伴流分布。

[1]王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[2]蔡榮泉.關于船舶CFD的現狀和一些認識[J].船舶,2002 (1):29-37.

[3]MBrenner,CAbt,SHarries,等.有助于加快設計流程和設計綠色產品的Feature(特征)建模技術和仿真驅動設計[J].船舶工程,2011(2):1-7.

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［責任編輯：劉月］

The Optimizing Design of 210 000 t Bulk Cargo Ship Bow Mold Line and Resistance Calculation

WANG Lulu
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

FRIENDSHIP-Framework is a CAE system platform which integrates CAD and CFD as a whole,and it is developed to realize the driving simulation design for establishing function curve.On the basis of mastering the function and application methods of FRIENDSHIP-Framework,under the engineering background of 210 000 t bulk cargo ship mold line optimization,using Shipflow software as the calculation tool, the researcher makes the bow area part mold line optimizing design via FRIENDSHIP-Framework software,to improve the bow waveform and hull surface pressure distribution,and finally to reduce the wave resistance.

bulk cargo ship;wave resistance;bow optimizing;ship speed forecast

U661.1

A

：2095-5928（2015）05-43-05

2015-07-21

遼寧省職業技術教育學會2015-2016年度科研課題（LZY15070）

王璐璐（1982-），女，遼寧葫蘆島人，講師，學士，研究方向：船舶與海洋工程。