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        CFD在2 500TEU集裝箱船線型優(yōu)化中的應(yīng)用

        2018-11-13 10:00:16歆,陳
        廣東造船 2018年5期
        關(guān)鍵詞:興波船模線型

        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(jù)航運(yùn)市場(chǎng)和環(huán)保要求的不斷變化,設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)則也發(fā)生了巨大的變化,減速航行是各大航運(yùn)公司普遍采用的節(jié)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(zhǎng)、船舶寬度等)相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生了明顯的變化,新船型設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)此目標(biāo),需要通過聯(lián)合運(yùn)用線型優(yōu)化技術(shù)并結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來降低船舶阻力、提高推進(jìn)效率、減小裝機(jī)功率,實(shí)現(xiàn)超低的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)。

        某2 500TEU集裝箱船是我司重點(diǎn)開發(fā)的新型集裝箱船,適合全球無限航區(qū)航行,滿足巴拿馬、蘇伊士運(yùn)河等通航要求,具有總布置緊湊、集裝箱裝載能力強(qiáng)、航速適中燃油經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn),是新一代的綠色環(huán)保船型。本文從使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)進(jìn)行線型優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度介紹其開發(fā)設(shè)計(jì)過程和技術(shù)。集裝箱船通常追求高的載箱量指標(biāo),主尺度如船長(zhǎng)、船寬、型深等主要由船舶的載箱量和集裝箱布置來決定。經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)上同類型船舶的調(diào)研和前期的方案設(shè)計(jì),確定它的主尺度參數(shù)如下:

        2 優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

        目前使用的集裝箱船線型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有以下三種:

        (1)基于Operation Profile要求使用全參數(shù)法;

        (2)基于Operation Profile要求結(jié)合經(jīng)驗(yàn)+CFD優(yōu)化方法;

        (3)基于設(shè)計(jì)要求結(jié)合經(jīng)驗(yàn)+CFD優(yōu)化方法。

        本項(xiàng)目集裝箱船屬于布置型船舶,線型優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是滿足集裝箱布置和裝載能力的需求,同時(shí)保證較高的目標(biāo)航速。根據(jù)實(shí)際條件,我們選擇了基于Operation Profile要求結(jié)合經(jīng)驗(yàn)+CFD的多點(diǎn)多目標(biāo)優(yōu)化方法。

        在方案設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)歐洲船東市場(chǎng)調(diào)研和實(shí)際航線運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),要求本船能滿足設(shè)計(jì)吃水下V=19 kn的最大航速,達(dá)到快速及時(shí)運(yùn)載貨物的目的;同時(shí)在中低速航行V=12~18 kn航速范圍內(nèi)保持較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

        根據(jù)各個(gè)航行工況下的阻力系數(shù)乘以權(quán)重再求和,我們得到比較線型優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的指標(biāo)。對(duì)于母型船線型分析確定需要優(yōu)化的參數(shù)并計(jì)算得到多個(gè)參數(shù)變化后的線型,通過CFD計(jì)算優(yōu)化后線型的阻力的方法篩選出波形光順、在各個(gè)航行工況下綜合阻力指標(biāo)最好的線型。

        我們的設(shè)計(jì)合作方提供了2 500TEU的母型船設(shè)計(jì)線型,通過對(duì)此線型的研究和相似船型經(jīng)驗(yàn),我們確定了需要優(yōu)化16~18 kn范圍內(nèi)在設(shè)計(jì)吃水9.5 m和結(jié)構(gòu)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(xiàng)目在使用CFD設(shè)計(jì)軟件SHIPFLOW對(duì)全船外殼線型建模后,通過設(shè)定邊界條件,包括排水體積、浮心位置、初穩(wěn)性高等穩(wěn)性特性、集裝箱布置和機(jī)艙設(shè)備布置所需特殊寬度等約束條件,對(duì)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(shù)化的模型優(yōu)化計(jì)算就能得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,通過對(duì)優(yōu)化方案的阻力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較得到滿足operation profile要求的目標(biāo)線型。

        模型參數(shù)的變化范圍、約束條件的多少都會(huì)影響到優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的數(shù)量,本次優(yōu)化過程中一共生成了300多個(gè)優(yōu)化方案,采用SHIPFLOW軟件計(jì)算各個(gè)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(shù)值計(jì)算結(jié)果來看,優(yōu)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(jié)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(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)吃水處水線面首尾部肋骨線的曲率作了優(yōu)化,平行中體部分變化不大。此船線型優(yōu)化的重點(diǎn)在于首尾部分,首部線型及球鼻首對(duì)阻力影響很大,尾部線型則影響了伴流。根據(jù)此線型我們委托德國(guó)SVA拖曳水池進(jìn)行了帶庫槳的船模阻力試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示:設(shè)計(jì)吃水9.5 m時(shí)基本能夠達(dá)到V=19 kn的航速要求,但在航速V=12-16 kn阻力較大;結(jié)構(gòu)吃水11.5 m時(shí)曲線較為平滑,在航速V=12-16 kn時(shí)仍然還有所突起。顯然,在航速V=12~16 kn范圍內(nèi)阻力還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

        圖1 航速阻力試驗(yàn)結(jié)果圖

        考慮到設(shè)計(jì)航速、船體主尺度及初穩(wěn)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(duì)這個(gè)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(jìn)行CFD球鼻首的優(yōu)化設(shè)計(jì),以減小在較低航速下的阻力。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中選取了球首高度、寬度、球鼻高度等多個(gè)參數(shù),以減小興波阻力為目標(biāo)進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化計(jì)算。

        遺傳算法是一個(gè)以適應(yīng)度函數(shù)(目標(biāo)函數(shù))為依據(jù),通過對(duì)種群個(gè)體施加遺傳操作實(shí)現(xiàn)種群內(nèi)個(gè)體結(jié)構(gòu)重組的迭代處理過程。在這一過程中,群體個(gè)體(問題的解)逐代優(yōu)化并逐漸逼近最優(yōu)解。SHIPFLOW軟件是使用遺傳算法NSGAII對(duì)球鼻首型線進(jìn)行的優(yōu)化分析,輸出的優(yōu)化結(jié)果為船模尺度下的解。在穩(wěn)性特性如排水量、浮心位置、初穩(wěn)心高等約束條件基本保持不變的情況下,從中初步優(yōu)選得到B1~B12共12種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

        通過使用CFD軟件SHIPFLOW對(duì)這12種優(yōu)化方案進(jìn)行了各航速下的阻力預(yù)報(bào),計(jì)算結(jié)果顯示了相對(duì)于原線型各個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)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(yōu)化方案在設(shè)計(jì)吃水9.5 m、16 kn的工況下阻力降低了2.5%,在設(shè)計(jì)吃水9.5 m、19 kn的工況下阻力提高了0.3%。經(jīng)過綜合考慮12個(gè)方案在各個(gè)航速下的阻力優(yōu)化大小,我們選取了B11作為最終的球鼻首優(yōu)化方案。

        3 通過船模試驗(yàn)確認(rèn)CFD優(yōu)化

        按照修改后的B11線型,我們重新進(jìn)行了船模阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在保證設(shè)計(jì)航速的情況下,V=12~18 kn航速下的阻力結(jié)果達(dá)到了與預(yù)期相近的改善效果。通過本次船模水池試驗(yàn),驗(yàn)證了CFD在本船線型優(yōu)化設(shè)計(jì)上的預(yù)報(bào)作用,完成了一次成功的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)。修改線型后的船模阻力試驗(yàn)結(jié)果,如圖2所示。

        圖2 航速功率試驗(yàn)結(jié)果

        4 結(jié)束語

        本文介紹了某2 500TEU集裝箱船的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和過程。確定船舶主尺度和Operation Profile后,在優(yōu)秀的母船型線型基礎(chǔ)上按照集裝箱裝載要求等約束條件,選取多個(gè)參數(shù)變化來達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo),根據(jù)CFD軟件預(yù)報(bào)結(jié)果選擇最合適的設(shè)計(jì)方案。船模水池試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了使用CFD軟件優(yōu)化計(jì)算和航速預(yù)報(bào)的有效性,完成了目標(biāo)船舶的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù),為使用CFD軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)此類型船的線型設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例參考。

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