CFD在2 500TEU集裝箱船線型優化中的應用

易 歆，陳 莉

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州510027）

1 概述

近幾年來根據航運市場和環保要求的不斷變化，設計規范規則也發生了巨大的變化，減速航行是各大航運公司普遍采用的節約成本的做法。減速航行帶來了集裝箱船主尺度（如船舶總長、船舶寬度等）相對于傳統設計發生了明顯的變化，新船型設計要求在保證最大裝箱量和航速條件下盡可能地降低船舶的油耗。為了實現此目標，需要通過聯合運用線型優化技術并結合實船設計經驗來降低船舶阻力、提高推進效率、減小裝機功率，實現超低的船舶能效設計指數（EEDI）。

某2 500TEU集裝箱船是我司重點開發的新型集裝箱船，適合全球無限航區航行，滿足巴拿馬、蘇伊士運河等通航要求，具有總布置緊湊、集裝箱裝載能力強、航速適中燃油經濟性好的特點，是新一代的綠色環保船型。本文從使用計算流體力學（CFD）進行線型優化設計的角度介紹其開發設計過程和技術。集裝箱船通常追求高的載箱量指標，主尺度如船長、船寬、型深等主要由船舶的載箱量和集裝箱布置來決定。經過對市場上同類型船舶的調研和前期的方案設計，確定它的主尺度參數如下：

2 優化設計過程

目前使用的集裝箱船線型優化設計方法主要有以下三種：

（1）基于Operation Profile要求使用全參數法；

（2）基于Operation Profile要求結合經驗＋CFD優化方法；

（3）基于設計要求結合經驗＋CFD優化方法。

本項目集裝箱船屬于布置型船舶，線型優化設計的主要目標是滿足集裝箱布置和裝載能力的需求，同時保證較高的目標航速。根據實際條件，我們選擇了基于Operation Profile要求結合經驗＋CFD的多點多目標優化方法。

在方案設計時，根據歐洲船東市場調研和實際航線運營經驗，要求本船能滿足設計吃水下V=19 kn的最大航速，達到快速及時運載貨物的目的；同時在中低速航行V=12～18 kn航速范圍內保持較好的燃油經濟性。

根據各個航行工況下的阻力系數乘以權重再求和，我們得到比較線型優化設計結果的指標。對于母型船線型分析確定需要優化的參數并計算得到多個參數變化后的線型，通過CFD計算優化后線型的阻力的方法篩選出波形光順、在各個航行工況下綜合阻力指標最好的線型。

我們的設計合作方提供了2 500TEU的母型船設計線型，通過對此線型的研究和相似船型經驗，我們確定了需要優化16～18 kn范圍內在設計吃水9.5 m和結構吃水11.5 m的線型，另外需要降低球鼻首高度以減小首部的興波來提高快速性。

本項目在使用CFD設計軟件SHIPFLOW對全船外殼線型建模后，通過設定邊界條件，包括排水體積、浮心位置、初穩性高等穩性特性、集裝箱布置和機艙設備布置所需特殊寬度等約束條件，對包含浮心位置、最寬橫剖面位置、最寬橫剖面位置起始角和終止角等多參數化的模型優化計算就能得到優化設計方案，通過對優化方案的阻力計算結果進行比較得到滿足operation profile要求的目標線型。

模型參數的變化范圍、約束條件的多少都會影響到優化計算結果的數量，本次優化過程中一共生成了300多個優化方案，采用SHIPFLOW軟件計算各個方案的興波阻力值，從中選取興波阻力最小的方案。從方案數值計算結果來看，優化前后興波阻力有一定程度的改善，從波形分析同樣可以得到相同的結論。

新的線型相比初步線型約有2.9% 的阻力下降，主要是在設計和結構吃水處水線面首尾部肋骨線的曲率作了優化，平行中體部分變化不大。此船線型優化的重點在于首尾部分，首部線型及球鼻首對阻力影響很大，尾部線型則影響了伴流。根據此線型我們委托德國SVA拖曳水池進行了帶庫槳的船模阻力試驗，試驗結果如圖1所示：設計吃水9.5 m時基本能夠達到V=19 kn的航速要求，但在航速V=12-16 kn阻力較大；結構吃水11.5 m時曲線較為平滑，在航速V=12-16 kn時仍然還有所突起。顯然，在航速V=12～16 kn范圍內阻力還需要進一步的優化。

圖1 航速阻力試驗結果圖

考慮到設計航速、船體主尺度及初穩心高等基本上能滿足集裝箱裝載要求，本船線型不需要再做過多修改。針對這個低速下阻力過高的問題，我們的解決思路是通過修改球鼻首來改善低速下的阻力特性。為此，我們使用CASES、 SHIPFLOW軟件進行CFD球鼻首的優化設計，以減小在較低航速下的阻力。具體優化設計過程中選取了球首高度、寬度、球鼻高度等多個參數，以減小興波阻力為目標進行遺傳算法優化計算。

遺傳算法是一個以適應度函數（目標函數）為依據，通過對種群個體施加遺傳操作實現種群內個體結構重組的迭代處理過程。在這一過程中，群體個體（問題的解）逐代優化并逐漸逼近最優解。SHIPFLOW軟件是使用遺傳算法NSGAII對球鼻首型線進行的優化分析，輸出的優化結果為船模尺度下的解。在穩性特性如排水量、浮心位置、初穩心高等約束條件基本保持不變的情況下，從中初步優選得到B1～B12共12種改進設計方案。

通過使用CFD軟件SHIPFLOW對這12種優化方案進行了各航速下的阻力預報，計算結果顯示了相對于原線型各個優化設計方案在設計吃水分別在V=16、V=18、V=19 kn航速下的阻力變化情況。其中B11的優化方案在設計吃水9.5 m、16 kn的工況下阻力降低了2.5%，在設計吃水9.5 m、19 kn的工況下阻力提高了0.3%。經過綜合考慮12個方案在各個航速下的阻力優化大小，我們選取了B11作為最終的球鼻首優化方案。

3 通過船模試驗確認CFD優化

按照修改后的B11線型，我們重新進行了船模阻力試驗。試驗結果顯示，在保證設計航速的情況下，V=12～18 kn航速下的阻力結果達到了與預期相近的改善效果。通過本次船模水池試驗，驗證了CFD在本船線型優化設計上的預報作用，完成了一次成功的線型優化設計。修改線型后的船模阻力試驗結果，如圖2所示。

圖2 航速功率試驗結果

4 結束語

本文介紹了某2 500TEU集裝箱船的線型優化設計方法和過程。確定船舶主尺度和Operation Profile后，在優秀的母船型線型基礎上按照集裝箱裝載要求等約束條件，選取多個參數變化來達到優化設計目標，根據CFD軟件預報結果選擇最合適的設計方案。船模水池試驗結果驗證了使用CFD軟件優化計算和航速預報的有效性，完成了目標船舶的線型優化設計任務，為使用CFD軟件優化設計此類型船的線型設計提供了經驗和實例參考。