基于艏艉全參數(shù)建模及自航計算的線型優(yōu)化

陸琛亮， 楊 博， 張淇鑫

(上海船舶研究設(shè)計院， 上海 201203)

0 引 言

船舶線型設(shè)計與船舶的各項重要指標(油耗、航速、載重量和艙容等)有著密不可分的關(guān)系。常規(guī)的船舶線型優(yōu)化設(shè)計通常采用軟件手工修改與自動變換相結(jié)合的方式進行，通過計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)計算優(yōu)化減小船體的興波阻力和黏壓阻力，而由于設(shè)計周期和計算時間等因素的限制，帶螺旋槳的自航計算一般會省略，取而代之的是通過比較艉部伴流優(yōu)選多個阻力較小的方案，以期在優(yōu)選出小阻力線型的同時，提升螺旋槳的工作效率。

本文以一艘低速肥大型散貨船為例進行分析，此類船型的快速性優(yōu)化往往不能局限于對興波阻力和黏壓阻力進行優(yōu)化，不同的艉部設(shè)計往往會有不同的螺旋槳效率表現(xiàn)，有時甚至有較大的差異。因此，通過自航計算優(yōu)化降低螺旋槳的收到功率非常必要。本文詳細介紹艏部和艉部全參數(shù)建模變換與自航計算相結(jié)合的優(yōu)化方法，最終優(yōu)化得到螺旋槳收到功率最小的船體線型。

1 目標船基本情況

本文優(yōu)化的目標船是一艘20萬噸級散貨船，總長約310 m，弗勞德數(shù)約為0.139，興波阻力占比較小，此時優(yōu)化興波阻力對總阻力優(yōu)化的收效較小，黏性阻力占比較大，且艉部設(shè)計不同會導致螺旋槳效率存在較大差異，對于此類船型的優(yōu)化而言，應(yīng)對船體總阻力和螺旋槳效率進行綜合優(yōu)化。

2 船體建模方法

首先需對目標船的艏部和艉部進行參數(shù)化建模，建模工具為德國FRIENDSHIP SYSTEMS公司開發(fā)的軟件CAESES。該船采用的建模方法同樣適用于集裝箱船和油船等單艉鰭船型。

參數(shù)化建模是指通過一系列參數(shù)建立船體曲面，這種建模方法的優(yōu)勢是能通過個別參數(shù)的變化迅速變化出具有不同特征的線型，并能直接用于CFD計算，大大增加優(yōu)化方案的數(shù)量，提高優(yōu)化的效率和效果。

船體建模分為艏部、艉部和舯部(平行中體)等3部分，下面具體介紹參數(shù)化建模方法。

2.1 艏部建模

2.1.1 艏部主要參數(shù)的名稱及數(shù)值

艏部主要參數(shù)的名稱和數(shù)值：xFp為垂線間長；beam為船寬；draft為吃水；height為型深；bowOverang為球艏長度；xPeak為船體最前端

x

值，等于xFp+bowOverang；xMainFrame為艏部最大橫剖面

x

位置；bilgeHeight為舭部高度；bilgeWidth為舭部寬度；relXFwdBase為平底線前端位置系數(shù)；xFwdBase為平底線前端位置，等于xMainFrame+relXFwdBase×(xFp-xMainFrame)。

2.1.2 艏部最大橫剖面的定義

根據(jù)上面定義的舭部高度bilgeHeight、舭部寬度bilgeWidth和舭龍骨的豐滿度系數(shù)Coeffbilge生成舭部曲線bilge curve，目標船的Coeffbilge取0.805。

2.1.3 艏部各特征曲線的定義

艏部各特征曲線的分類及命名：deck為甲板線；dwl為設(shè)計水線；flareAtDeck為甲板處的外飄角分布曲線；flareAtDwl為水線處的外飄角分布曲線；fob為平底線；fos為平邊線；sac為橫剖面面積曲線；stem為艏柱。各曲線形式見圖1。

圖1 艏部初始特征曲線

2.1.4 艏部各曲面的定義

船體曲面構(gòu)成的原理為：首先通過上述各特征曲線生成CAESES軟件中稱為curve engine曲線的特征函數(shù)，然后通過此curve engine沿船長方向生成一條條橫剖線，最后通過CAESES特有的曲面形式MetaSurface連接成光順曲面。這樣所得船體曲面必然滿足上述特征曲線的要求。

但是，由于船舶曲面的復雜性，不可能從最大橫剖面至球艏只用1個特征函數(shù)(即curve engine)生成橫剖線，因此按特征曲線的分布，將船體表面分成10個曲面，10個曲面光順過渡連接之后才能形成一個完整的艏部曲面。10個曲面的分類及命名：mid2FosEmerge為從最大橫剖面至設(shè)計水線平邊線相交處的曲面；fosEmerge2Fwd為從設(shè)計水線平邊線相交處至平邊線最前端的曲面；fosFwd2Base為從平邊線最前端至平底線最前端的曲面；base2Fp為從平底線最前端至艏垂線處，設(shè)計水線以上的曲面；fillet為從平底線最前端至艏垂線處，設(shè)計水線以下的曲面；topFillet為base2Fp與fillet之間的填充曲面；stem為艏柱附近的曲面；tube為base2Fp與stem之間的填充曲面；bulb1為從艏垂線至其前端1.4 m處的曲面；bulb2為從艏垂線往前1.4 m至球艏最前端的曲面。各曲面形式見圖2。

圖2 目標船各曲面形式

2.2 艉部建模

艉部建模的原理為：首先單獨創(chuàng)建一個不含艉鰭的裸船體，然后建一個艉鰭與裸船體光順過渡，最后去掉裸船體與艉鰭相交處裸船體上多余的部分，形成一個完整的艉部模型。

2.2.1 裸船體艉部主要參數(shù)的名稱及數(shù)值

裸船體艉部主要參數(shù)的名稱及數(shù)值：xAftBase為平底線趨勢線后端；xBilgeAft為平底線趨勢線前端，取0.5倍的xMainFrame；xMainFrame為艉部最大橫剖面

x

位置；xTransom為艉封板尾端

x

位置；zTransom為艉封板尾端高度。

2.2.2 裸船體艉部最大橫剖面的定義

最大橫剖面定義與艏部一致，而艉部最大橫剖面所在

x

的位置不同。

2.2.3 裸船體艉部各特征曲線的定義

裸船體艉部各特征曲線的分類及命名：keel為船底基線；fos為平邊線，分前后2段；fob為平底線，分前后2段；deck為甲板邊線，分前后2段；fos_tangent為平邊線進入角，最大為90，分前后2段；bilge_fullness為橫剖線豐滿度，分前后2段。裸船體艉部各特征曲線見圖3和圖4。

圖3 裸船體艉部各特征曲線側(cè)視圖

圖4 裸船體艉部各特征曲線俯視圖

2.2.4 艉鰭各特征曲線的定義

就合作學習而言，主要是通過組織開展合作的方式，學習相關(guān)知識。新時期，開展語文教學，需要通過分工合作的形式，共同完成學習任務(wù)。要運用這種新型的合作學習的教育方式，需要教師對此共同作出努力。在進行合作學習的過程中，要求教師端正自身的態(tài)度，采用科學的學習方法，充分應(yīng)用傳統(tǒng)教學的優(yōu)點，然后將其與合作學習相結(jié)合。不僅要關(guān)注學生的學習成績，還要關(guān)注其成長過程中出現(xiàn)的一些問題，促使學生在參與合作學習的過程中，學到更多有用的知識。如在大課間的時候，可以組織學生玩“成語接龍”“你比我猜”等游戲，既豐富了學生的課外活動，又能從中學到很多文化知識，增強了學生合作能力，讓其更具有團隊合作意識。

艉鰭各特征曲線的分類及命名：boundary為艉鰭與船體的相交線；intermediate為艉鰭與艉鰭出口端邊線之間的過渡線；boss為艉鰭出口端邊線。艉鰭各特征曲線見圖5。

圖5 艉鰭各特征曲線

2.2.5 艉部各曲面的定義

艉部建模得到的2個面見圖6，其中：hull為裸船體；skeg為艉鰭。

圖6 目標船各曲面的形式

裸船體與艉鰭相交內(nèi)的裸船體表面需要刪除，從而組成一個完整的帶艉鰭的船體，局部刪除之后的裸船體根據(jù)相對于艉鰭的位置分成4個面，其中：behindSkeg為艉鰭后的面；besideSkegAft為艉鰭邊的面(后)；besideSkegFore為艉鰭邊的面(前)；beforeSkeg為艉鰭前的面。最終形成的船體見圖7。

圖7 最終形成的船體

2.3 平行中體建模

平行中體的建模較為簡單，將艏部與艉部最大橫剖面之間的間隙填上即可。

3 全參數(shù)優(yōu)化

3.1 參數(shù)變量優(yōu)化

用于生成船體的參數(shù)變量非常多，其中影響船體快速性能的參數(shù)變量同樣非常多，因此為提高線型優(yōu)化的效果和效率，需根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗選取有限的優(yōu)化變量。

3.1.1 整體參數(shù)變量

船體整體變化采用Lakenby變換的方法實現(xiàn)，該方法用于改變橫剖面面積曲線，從而優(yōu)化浮心縱向位置、排水體積、水線進水角和出水角等重要的線型實現(xiàn)參數(shù)。

3.1.2 艏部參數(shù)變量

3.1.3 艉部參數(shù)變量

艉部優(yōu)化對于目標船來說至關(guān)重要，因此選取較多的參數(shù)變量，涉及艉鰭的豐滿度、橫剖面UV度、縱剖線斜度和艉封板尺度等重要船體艉部線型特征。在這些參數(shù)中：aft_bilge_fullness_mid為橫剖面最大豐滿度；aft_bilge_fullness_part1為后橫剖面最大豐滿度曲線的豐滿度；aft_cpc2_fullness為船底基線的豐滿度；aft_dk_part1_fullness為后甲板邊線的豐滿度；aft_dk_part1_tangent為后甲板邊線的艉端進入角；aft_fos_tangent_part1為后平邊線的進入角；aft_skeg_width為艉鰭上邊界寬度；aft_width_Factor為艉鰭中間過渡線寬度系數(shù)；aft_boundary_fullness為艉鰭上邊界豐滿度；aft_xdeckmax為甲板最大船寬處

x

的最小值；aft_xTransom為艉封板末端的

x

值；aft_yTransom為艉封板末端的半寬值；aft_zTransom為艉封板末端的最小高度。

3.2 船體限制條件

為使優(yōu)化得到的線型滿足實際的總體及輪機等設(shè)計要求，需給定一些限制條件，本文所述目標船主要有以下2個限制條件：

1) 排水體積和浮心位置，通過艏艉模型參數(shù)和全局橫剖面面積曲線的Lakenby變換調(diào)整；

2) 2個限制點，分別位于主機和貨艙位置，分別在2站和19站位置，通過限制點到船體曲面的最小距離進行判斷，若該距離小于零，則說明限制點在船體曲面之外，即不滿足設(shè)計要求。

3.3 優(yōu)化方法與目標

目標船以設(shè)計吃水、15 kn航速為優(yōu)化點，以降低該狀態(tài)下的螺旋槳收到功率

P

為優(yōu)化目標。優(yōu)化分2輪進行，其中：第一輪為阻力優(yōu)化，減小阻力不僅有助于成功實現(xiàn)線型優(yōu)化，而且能加快阻力計算速度，先進行阻力計算可先對船體進行整體上的優(yōu)化；第二輪為收到功率優(yōu)化，即自航計算，2種計算均基于模型尺度進行，模擬水池阻力和自航試驗得到模型尺度下的螺旋槳收到功率

P

，最終優(yōu)化目標是使螺旋槳收到功率

P

最小。若時間允許，還可進行第二次迭代優(yōu)化，進一步優(yōu)化阻力和功率。

用于計算的軟件是FLOWTECH公司的CFD軟件SHIPFLOW，分別包括阻力計算模塊和自航計算模塊。

3.3.1 阻力計算優(yōu)化

阻力計算采用勢流與黏流相結(jié)合的方法，分別采用SHIPFLOW中的XPAN興波阻力計算模塊和XCHAP黏性阻力計算模塊進行計算，目標船的弗勞德數(shù)為0.139，模型尺度雷諾數(shù)為5.48×10。

由于阻力計算速度較快，黏性計算網(wǎng)格采用global方法生成，網(wǎng)格數(shù)相對于自航計算更多，約180萬個。

3.3.2 自航計算優(yōu)化

自航計算更為耗時，需進行一定的簡化，黏性計算網(wǎng)格采用zonal方法生成，即只對船體后半部分建立黏流計算網(wǎng)格，并進行黏流計算，這樣可大大減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短黏流計算時間，采用該方法的計算網(wǎng)格數(shù)約為50萬個。

SHIPFLOW中的自航計算有3種方法。

1) 固定轉(zhuǎn)速: 給定轉(zhuǎn)速計算推力扭矩。

2) 自動：計算阻力，敞水，推力扭曲，尋找推力與阻力的平衡點。

3) 用戶自定義：給定強制力系數(shù)，計算速度快。

考慮到僅優(yōu)化1個速度點的功率，選用第三種方法進行自航計算，設(shè)置文件中的Prop命令給定槳盤面的

x

位置、槳軸高度、槳直徑和槳榖直徑，螺旋槳敞水計算采用升力線法，螺旋槳幾何文件需輸入槳葉數(shù)、盤面比、0.2～1.0半徑處的螺距比、弦長、厚度和拱度等參數(shù)。

3.4 優(yōu)化算法和優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化變量的數(shù)量較多，艏部變量有5個，艉部變量有13個，變量的組合通過CAESES中自帶的Sobol優(yōu)化算法生成，針對第3.3節(jié)所述的2輪優(yōu)化，選取不同優(yōu)化變量和變換范圍，以減少優(yōu)化方案的計算數(shù)量，在進行阻力優(yōu)化時盡量減少艉部變量的變換范圍，在進行自航優(yōu)化時減少艏部的變量，把重點放在艉部變量優(yōu)化上。采用Sobol優(yōu)化算法生成的變量組合示例見圖8。

圖8 采用Sobol優(yōu)化算法生成的變量組合示例

進行2輪線型優(yōu)化之后得到2種線型方案，分別是基于阻力計算優(yōu)化的線型和基于自航計算優(yōu)化的線型。

采用SHIPFLOW得到的2種方案的計算結(jié)果對比見表1，其中：SHIPFLOW中的興波阻力系數(shù)有

C

和

C

2種，

C

由船體表面的壓力得到，

C

通過水面興波得到；

W

為槳盤面處的名義伴流；

C

為摩擦阻力系數(shù)；

C

為黏壓阻力系數(shù)；

C

為黏性阻力系數(shù)，即

C

與

C

之和；

K

為形狀因子；

S

為無因次濕表面積；

P

為螺旋槳收到功率。2種線型方案伴流對比見圖9，線型對比見圖10。

表1 2種方案計算結(jié)果對比

圖9 2種線型方案伴流對比

圖10 2種線型方案的線型對比

由計算結(jié)果和線型對比分析可知：基于阻力計算優(yōu)化的線型的黏壓阻力系數(shù)比基于自航計算優(yōu)化的線型的黏壓阻力系數(shù)小2.86%，興波阻力系數(shù)相當，而基于自航計算優(yōu)化的線型的艉部外側(cè)更為豐滿，伴流稍大，且分布更加均勻，最終的收到功率明顯更小，比基于阻力計算優(yōu)化的線型小4.2%。由此可知，雖然基于自航計算優(yōu)化的線型在阻力上并不占優(yōu)，但由于該線型艉部產(chǎn)生的伴流更有利于螺旋槳推進，使得螺旋槳推進效率較高，最終螺旋槳的收到功率更小，快速性能更優(yōu)。

4 結(jié) 語

船體艏部和艉部全參數(shù)建模和變換是進行線型優(yōu)化的有效方法。阻力計算相對來說速度較快，有利于開展大量方案的優(yōu)化計算。對經(jīng)過阻力計算優(yōu)化的方案進行自航計算優(yōu)化，目標船的螺旋槳收到功率可進一步減小。同時，參數(shù)化變換可設(shè)定多種限制條件，從而得到滿足實際使用要求的快速性能更優(yōu)的模型。