王鳳琴，魏 斌

(1.紫瑯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226002;2.江蘇省無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無(wú)錫 214151)

0 引言

東海的桁桿拖蝦作業(yè)，開(kāi)始于20世紀(jì)70年代末［1］，80年代隨著蝦類(lèi)資源調(diào)查的開(kāi)展，開(kāi)發(fā)了外海新的蝦類(lèi)資源和漁場(chǎng)，拖蝦作業(yè)得到迅速發(fā)展，已成為海洋捕撈業(yè)中規(guī)模較大，產(chǎn)量較高的一大作業(yè)。但是漁業(yè)是一個(gè)高耗能、高風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)業(yè)，燃油成本占整個(gè)捕撈成本近70%。近年來(lái)，隨著柴油價(jià)格不斷上漲，拖蝦作業(yè)整體效益正逐年下降。為了應(yīng)對(duì)油價(jià)持續(xù)上漲，一方面，漁民延長(zhǎng)海上作業(yè)時(shí)間，減少回港次數(shù)，節(jié)約燃油成本;另一方面，多年來(lái)國(guó)內(nèi)高校及科研機(jī)構(gòu)一直致力于節(jié)能船型的研究［2～6］。開(kāi)展拖蝦漁船型優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，可以促進(jìn)漁業(yè)船舶環(huán)保、節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，提高拖蝦漁船的經(jīng)濟(jì)性能，加快漁業(yè)船舶標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

1 主要量度及母船型線改造

1.1 主要量度

1.2 母船型線改造

橫剖面面積曲線改造是運(yùn)用母型船改造法生成設(shè)計(jì)船型線的基礎(chǔ)，其結(jié)果直接影響設(shè)計(jì)船的阻力性能、航行性能和營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性［7］。修改橫剖面面積曲線的基本原理為將各站橫剖面面積通過(guò)沿縱向移動(dòng)一個(gè)距離來(lái)實(shí)現(xiàn)修改面積曲線特征值。

本文根據(jù)母型船的橫剖面曲線，應(yīng)用“1－Cp”法將橫剖面面積曲線分為前后半體，分別對(duì)其進(jìn)行修改。方法為:將半體面積曲線及修改參數(shù)無(wú)因次化，僅改變棱形系數(shù)Cp，保留原有曲線基本形狀條件下修改得到新的橫剖面面積曲線。

設(shè)修改函數(shù)為:

該函數(shù)的邊界條件為:x=1.0時(shí)，δx=0。由約束條件:

得:a=δCPF/(1－CPF)，代入式(1)得:

對(duì)于后半體，同理可得修改量δx的表達(dá)式:

對(duì)于初始的面積曲線，通過(guò)近似積分計(jì)算得到CPA和CPF，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式:

根據(jù)新船的XB、Cp估算出新船的CPF和CPA，從而求得 δCPF和 δCPA。

以上各公式中字母所表達(dá)的含義如下:

δx為各站橫剖面面積通過(guò)沿縱向(X)移動(dòng)的距離;CP為棱形系數(shù);CPF為前半體棱形系數(shù);δCPF為CPF的修改量;CPA為后半體棱形系數(shù);δCPA為 CPA的修改量;xB為母船浮心縱向位置;XB為新船浮心縱向位置;a為數(shù)值;x為橫剖面在縱向位置。

利用母型改造方法設(shè)計(jì)型線，若橫剖面形狀和中剖面系數(shù)不做修改，那么橫剖面面積曲線修改后，可以利用插值的方法生成型線。在修改后的橫剖面面積曲線圖上，量取各站處新船與母型船橫剖面面積百分?jǐn)?shù)相同的距離δxi，然后在母型船的水線圖上距對(duì)應(yīng)站 δxi處量取各水線半寬 yij，再乘上 B/B0(型寬線性改造的比例值)，最后得到新船各站半寬型值。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

經(jīng)線型優(yōu)化后的4種船型通過(guò)FLUENT前處理軟件GAMBIT建立三維數(shù)值模型。由于船的左右對(duì)稱(chēng)性，取1/2流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，取右手坐標(biāo)系O-XYZ，坐標(biāo)原點(diǎn)O位于艉柱基線高度，X軸指向船首為正，Z軸垂直向上為正。整個(gè)計(jì)算域呈1/4圓柱，入口邊界選取在離船前1個(gè)船長(zhǎng)處，出口邊界取在距船尾2倍船長(zhǎng)處，船側(cè)和深度半徑取1個(gè)船長(zhǎng)，對(duì)稱(chēng)面上設(shè)為對(duì)稱(chēng)邊界?？紤]自由液面的影響，設(shè)空氣層的高度為2倍水線面高度，在自由面追蹤上采用流體體積(VOF)方法，流場(chǎng)計(jì)算方法采用SAMPLE算法，時(shí)間方向上采用一階格式隱式求解，空間方向上采用二階迎風(fēng)格式計(jì)算模型。

計(jì)算域的網(wǎng)格劃分過(guò)程中，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)在120萬(wàn)左右，采用了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了較準(zhǔn)確地捕捉船體附近流場(chǎng)特性，在靠近船體區(qū)域設(shè)置較密網(wǎng)格，然后成一定膨脹系數(shù)向外布置。該方式使網(wǎng)格數(shù)目大幅消減，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。

4種不同橫剖面面積曲線的新船型在設(shè)計(jì)航速相同情況下實(shí)船的有效功率數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中Fn為船舶傅汝德數(shù)，PE為有效功率。母船在設(shè)計(jì)航速時(shí)有效功率為190.16 kW。

表1 實(shí)船有效功率

從4種新船船型數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以得出，新船型繼承了母船型良好的阻力特性，其中新船Ⅲ優(yōu)化效果顯著，有效功率降低達(dá)2.84%，其型線圖如圖1所示。

圖1 拖蝦船線型圖

3 討論

母船改造法是傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)方法。它具有使新船型繼承母型的一些優(yōu)秀特征，并且方法簡(jiǎn)單和實(shí)用的特點(diǎn)，在船舶型線改造設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。母船改造法要求已知母型型線的詳細(xì)描述，由設(shè)計(jì)者指定設(shè)計(jì)船型的前、后體的棱形系數(shù);同時(shí)它假定母型和子型的中橫剖面系數(shù)相同，通過(guò)改變母型的平行中體長(zhǎng)度和進(jìn)、去流段的棱形系數(shù)來(lái)得到具有設(shè)計(jì)要求的方形系數(shù)或棱形系數(shù)的新船型。

型線設(shè)計(jì)要考慮船舶良好的航海性、總布置要求、船體結(jié)構(gòu)合理和公益性、外觀造型，此外還應(yīng)該滿(mǎn)足型線設(shè)計(jì)精度的基本要求。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件條件的不斷改善，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的引入，使以往傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)、性能計(jì)算得到改進(jìn)，進(jìn)入一個(gè)科技含量更高的解析時(shí)代。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)在船舶工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，設(shè)計(jì)人員可以在較短的時(shí)間內(nèi)，利用CFD技術(shù)，精確地對(duì)船舶繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，分析船體的水動(dòng)力性能。目前雖數(shù)值模擬不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)模型試驗(yàn)，但是通過(guò)計(jì)算典型工況，分析優(yōu)化確定較優(yōu)的船型，可避免模型試驗(yàn)的盲目性，縮短了試驗(yàn)周期，節(jié)約了成本。本文利用母船改造法與數(shù)值模擬相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，對(duì)4種不同船型性能曲線進(jìn)行仿真模擬，從中選出滿(mǎn)足給定性能指標(biāo)的最優(yōu)船型。圖2、圖3可以直觀的體現(xiàn)船體水動(dòng)力諸多特性。

圖2 壓力云圖

圖3 自由液面

母船改造法型值人工生成插值生成型線的方法，工作量大，效率低。如何使用計(jì)算機(jī)通過(guò)人機(jī)交互的形式，實(shí)現(xiàn)船體型線的設(shè)計(jì)生成，使現(xiàn)代化高效率的程序在船舶設(shè)計(jì)中更加廣泛有效的得到應(yīng)用，是今后船型優(yōu)化研究工作的目標(biāo)。開(kāi)發(fā)自動(dòng)生成的計(jì)算程序，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算，使之能在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下得到實(shí)用、光順而且優(yōu)美的船體型線，可以減輕設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短造船周期。

4 結(jié)語(yǔ)

母船改造法生成型線，主要改造內(nèi)容有主尺度變換、橫剖型線和水線形狀的改造、橫剖面面積曲線的改造、設(shè)計(jì)水線以上的型線、靜水力計(jì)算等。由于受諸多參數(shù)影響，存在不確定性，本文僅通過(guò)改造橫剖面面積曲線得到優(yōu)化船型。理想的船型最優(yōu)設(shè)計(jì)需要仿真計(jì)算與最優(yōu)化理論和方法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，組成多個(gè)典型計(jì)算工況，自動(dòng)循環(huán)搜索最優(yōu)船型的數(shù)值，經(jīng)過(guò)分析優(yōu)化選取確定最優(yōu)船型，船模型試驗(yàn)給予進(jìn)一步的驗(yàn)證。

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