陳 康，周志勇，魏菲菲

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 200032）

0 概 述

隨著CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學(xué)）技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在船舶性能研究領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1～4]。CFD 技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)為在船體先期研發(fā)階段將 CFD技術(shù)應(yīng)用于母型的選取、線型優(yōu)化及阻力性能評估等方面；隨著燃油價格不斷上漲和要求船舶節(jié)能降耗，來體現(xiàn)船舶的優(yōu)良快速性能。依托工信部高技術(shù)船舶科研項目“計算流體力學(xué)的實用化研究——基于 CFD的船舶快速性能優(yōu)化技術(shù)和設(shè)計準(zhǔn)則研究”，本文以17.5萬dwt散貨船為研究對象，應(yīng)用CFD軟件和優(yōu)化軟件開展線型優(yōu)化的數(shù)值研究，并進(jìn)行船模試驗加以驗證。

1 研究方法

為了實現(xiàn)船體線型優(yōu)化、改善船舶快速性能，以7.5萬dwt散貨船為研究對象，其主尺度見表1。結(jié)合 FRIENDSHIP-Framework[5,6]強(qiáng)大的改型、優(yōu)化功能軟件與專業(yè)船舶 CFD 計算軟件SHIPFLOW[7]的優(yōu)勢，定義 17.5萬 dwt散貨船的原始線型艏、艉部的若干特征參數(shù)為優(yōu)化變量。球艏優(yōu)化時以船體興波阻力系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)、球艉優(yōu)化時以總阻力系數(shù)及標(biāo)稱伴流為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的改型和數(shù)值計算。對計算得到的自由水面波形、船體阻力值及伴流場等開展比較研究，并根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，確定若干船模阻力試驗方案，來驗證CFD優(yōu)化的結(jié)論。

表1 17.5萬dwt散貨船的主尺度

2 艏部優(yōu)化

2.1 建立艏部改型參數(shù)

為了研究球艏對船體興波阻力和艏部流場壓力分布的影響，選取了 CLPR、CZB、CBB三個特征參數(shù)為改型的優(yōu)化參數(shù)。其中，CLPR=LPR/LPP為長度系數(shù)， LPR為球艏伸出艏垂線的長度，LPP為兩柱間長；CZB=ZB/TFT為高度系數(shù)， ZB為球艏最前緣點距基線的高度， TFT為艏吃水；CBB=ABT/AM為橫剖面系數(shù)， ABT為艏垂線處橫剖面面積， AM為船中橫剖面面積。為了保證排水量在允許范圍內(nèi)變化，還研究了球艏長度系數(shù)、高度系數(shù)以及橫剖面系數(shù)對興波阻力的影響。通過 FRIENDSHIP-Framework軟件實現(xiàn)球艏高度、長度及橫剖面系數(shù)等的變化。

2.2 球艏長度系數(shù)的影響

保持 CZB、CBB不變，改變 LPR來研究長度系數(shù)CLPR對該船阻力性能的影響，計算得到的CW- CLPR曲線如圖 1所示（文中所有計算均對應(yīng)實船航速 15.0kn），對應(yīng)不同長度系數(shù)的自由水面波形如圖2 所示。

圖1 不同長度系數(shù)對應(yīng)的興波阻力系數(shù)

從圖 1、2可以看出，該散貨船的興波阻力系數(shù)隨著球艏長度系數(shù)的增加而減小，但減小到一定程度有增加的趨勢。即存在一個最佳的球艏長度系數(shù)。

2.3 球艏高度系數(shù)的影響

保持 CLPR，CBB不變，改變 ZB來研究高度系數(shù)CZB對該型船舶阻力性能的影響，計算得到的CW- CZB曲線如圖3所示，對應(yīng)不同長度系數(shù)的自由水面波形如圖4所示。

圖2 自由水面波形

圖3 不同高度系數(shù)對應(yīng)的興波阻力系數(shù)

圖4 自由水面波形

從圖 3、4可以看出，該散貨船的興波阻力系數(shù)隨著球艏高度系數(shù)的增加而增加。因而對于帶這種球艏型的散貨船，在保證球艏排水體積的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)減小高度系數(shù)來改善興波阻力性能。

2.4 球艏橫剖面系數(shù)的影響

保持CPRL，CBZ不變，改變ABT來研究球艏橫剖面系數(shù)CBB對該型船舶阻力性能的影響。計算得到的 CW-CBB曲線如圖5所示, 對應(yīng)三個不同長度系數(shù)的自由水面波形如圖6所示。

圖5 不同橫剖面系數(shù)對應(yīng)的興波阻力系數(shù)

圖6 自由水面波形

從圖 5、6可以看出，該型船舶的興波阻力系數(shù)是隨著橫剖面面積系數(shù)的增大而減小的。

2.5 球艏優(yōu)化結(jié)果

通過對球艏優(yōu)化的 CFD計算結(jié)果的分析，選取球艏優(yōu)化得到的最佳改型作為船模阻力試驗的方案二（原型作為阻力試驗的方案一）。兩個方案所對應(yīng)的特征參數(shù)如表2所示，兩個方案的線型對比如圖7所示。

表2 艏部改型前后各特征參數(shù)

圖7 艏部改型與原型對比

3 艉部優(yōu)化

3.1 確定球艉優(yōu)化參數(shù)

圖8 球艉主要參數(shù)

為了研究艉部形狀對船體阻力及艉部伴流場的影響，選取球艉大小系數(shù)CAB和高度系數(shù)CHH為改型的優(yōu)化參數(shù)。其中球艉的大小系數(shù) CAB=a/b，球艉的高度系數(shù)CHH= hB/ hS，各參數(shù)如圖8所示，其定義是：a為特征站處球艉的最小寬度；b為特征站處球艉的最大寬度；hB為球艉最大寬度處的垂向高度；hS為槳軸距離基線的高度。

3.2 球艉大小系數(shù)的影響

為了研究球艉大小系數(shù)CAB的影響，高度系數(shù)CHH保持不變，艏部各特征參數(shù)為最佳取值，取不同的大小系數(shù)CAB。表3中給出了不同大小系數(shù)及計算所得總阻力系數(shù)和標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)。圖9給出了槳盤面處的軸向速度分布。

表3 球艉不同大小系數(shù)對應(yīng)的總阻力系數(shù)

圖9 槳盤面處軸向速度分布（不同大小系數(shù)）

由表 3可以看到隨著球艉大小系數(shù) CAB的增大，總阻力系數(shù)和標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)都有所降低。

3.3 球艉高度系數(shù)的影響

保持大小系數(shù)CAB不變及艏部各特征參數(shù)為最佳取值，改變hB值來實現(xiàn)高度系數(shù)CHH的變化，以此來研究其對船體阻力性能及艉部伴流場的影響。表4中給出了不同高度系數(shù)及計算所得總阻力系數(shù)和標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)，圖 10則給出了槳盤面處的軸向速度分布。

從表4可以看出，船體總阻力系數(shù)和標(biāo)稱伴流分?jǐn)?shù)隨著CHH的增大而略有降低。

表4 球艉不同高度系數(shù)對應(yīng)的總阻力系數(shù)

圖10 槳盤面處軸向速度分布（不同高度系數(shù)）

3.4 艉部優(yōu)化結(jié)果

通過對球艉優(yōu)化的 CFD計算結(jié)果的分析，主要考慮艉部兩個特征參數(shù)對艉部伴流場的影響，將形成球艉優(yōu)化得到的改型作為船模試驗的方案三。優(yōu)化所得方案二和方案三的各個特征參數(shù)取值如表5所示，線型對比如圖11所示。

表5 球艉改型前后各特征參數(shù)

4 船模試驗結(jié)果[8]

17.5 萬dwt散貨船的模型試驗在上海船舶運輸科學(xué)研究所進(jìn)行，全部試驗包括三型船（艏艉各變一個方案）的阻力試驗，模型縮尺比為65。三型船模試驗所得剩余阻力系數(shù)及有效功率的比較分別列于表6、7，方案二和方案三的伴流試驗結(jié)果則由圖12、13給出。

表6 剩余阻力系數(shù)Cr (×103)

表7 有效功率PE (kW)

分析各方案的阻力試驗結(jié)果可以看出，兩個改型方案的阻力性能都好于原型，其中以方案二最佳，方案三次之。

圖12 軸向伴流等值圖

根據(jù)試驗所得軸向伴流分布表明，方案二和方案三的伴流場基本滿足 BsR.A.（British Ship Research Association，英國船舶研究協(xié)會）伴流場衡準(zhǔn)要求，且方案三的艉部伴流場比方案二的相對均勻，伴流梯度相對較小，對推進(jìn)效率是有利的。

5 結(jié) 語

以17.5萬dwt散貨船為研究對象，應(yīng)用CAE和 CFD技術(shù)分別對船體艏、艉部進(jìn)行多參數(shù)多方案變換，并進(jìn)行數(shù)值計算。對多方案的計算結(jié)果進(jìn)行分析及比較后，選擇了適合該船的最佳球艏長度系數(shù)、高度系數(shù)、橫剖面系數(shù)及球艉大小系數(shù)、高度系數(shù)，并對艏部改型方案、艉部改型方案和原線型同時進(jìn)行船模試驗。試驗的結(jié)果與 CFD方法優(yōu)化的目標(biāo)一致，驗證了基于 CFD技術(shù)的線型優(yōu)化方法在散貨船的實船設(shè)計中具有可行性和實用性。同樣，數(shù)值優(yōu)化方法對于其它船型的設(shè)計工作也具有一定的借鑒意義。

[1] Wilcox D C.Turbulence modeling for CFD[M].California:DCW Industries, 1994.

[2] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2004.

[3] 蔡榮泉.關(guān)于船舶 CFD的現(xiàn)狀和一些認(rèn)識[J].船舶，2002(1)：29-37.

[4] CHANG Huai-xin, LIU Ying-zhong, MIAO Guo-ping.Numerical simulation of three-dimensional viscous flow with free surface about a ship[J].Journal of Ship Mechanics, 2003, 3: 33-39.

[5] http://www.friendship-systems.com.

[6] Abt, C.; Harries, S..A New Approach to Integration of CAD and CFD for Naval Architects[R].6th International Conference on Computer Applications and Information Technology in the Maritime Industries (COMPIT2007),Cortona, Italy, 2007.

[7] Flowtech International.Shipflow 4.2 User Manual[S].Flowtech International AB, Gothenburg, Sweden, 2008.

[8] 17.5萬dwt散貨船模型試驗研究報告[R].上海船舶運輸科學(xué)研究所，2009.