冷江南 孫安欣 陳海斌 謝方偉 謝 飛 田祖織

（1.泰州市金海運(yùn)船用設(shè)備有限責(zé)任公司，泰州 225300；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221000）

高速雙體船具有優(yōu)良的耐波性和快速性，已成為船舶行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[1-2]，且近年來(lái)開(kāi)始運(yùn)用于海上搜救[3]。如何優(yōu)化高速雙體船性能，成為眾多研究者關(guān)注的目標(biāo)。其中，雙體船的快速性是船舶性能研究的重點(diǎn)之一。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)降低高速雙體船的航行阻力來(lái)提高航速[4]。

國(guó)內(nèi)外很多研究學(xué)者做了大量工作，部分學(xué)者通過(guò)優(yōu)化船舶主體尺寸實(shí)現(xiàn)減阻的目的。杜友威[5]、熊志鑫[6]利用STAR-CCM+優(yōu)化船舶長(zhǎng)寬比，得到了雙體船航行阻力與片體長(zhǎng)寬比的關(guān)系。袁文鑫將數(shù)值模擬與Lackenby相結(jié)合優(yōu)化船體線型，可通過(guò)調(diào)整片體間距優(yōu)化阻力性能[7]。CEPOWSKI使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了船舶長(zhǎng)度、寬度等參數(shù)。DOGRUL通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究了不同尺度下全尺寸傳船舶阻力和水波動(dòng)力性[8]。

部分學(xué)者更傾向于增加船尾附體，通過(guò)改善船尾流場(chǎng)來(lái)降低航行阻力。李樂(lè)宇在船首尾安裝減搖鰭和壓浪板，利用遺傳算法對(duì)船體阻力進(jìn)行優(yōu)化求解[9]。張維英等人利用反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化帶球艏油船的阻力[10]。張奕提出多島遺傳算法優(yōu)化球鼻艏設(shè)計(jì)[11]。張貝研究了不同船尾附體對(duì)船舶阻力的影響，并基于組合算法進(jìn)行優(yōu)化[12]。在工程應(yīng)用中，還可以對(duì)船體表面進(jìn)行光滑處理，以降低船體表面粗糙度，降低摩擦阻力[13]。

綜上所述，降低雙體船航行阻力主要有優(yōu)化船舶船型、增加船尾附體和船體光滑處理3種途徑。本文采用船體光滑處理方法，在船尾增加壓浪板，通過(guò)改變船尾端的流場(chǎng)減小航行阻力。

1 物理模型建立

以金海運(yùn)船用設(shè)備有限公司的高速雙體船為研究對(duì)象，通過(guò)SolidWorks建立三維模型，船長(zhǎng)8.00 m，單側(cè)船寬1.20 m，吃水0.36 m，船體間距2.20 m。為降低船體阻力，在船尾增加壓浪板，以改變船尾端的流場(chǎng)，從而減少船體阻力。壓浪板沿雙體船尾部安裝，L為壓浪板長(zhǎng)度，α為下反角，且α=8°，結(jié)構(gòu)及安裝形式如圖1所示。

圖1 雙體船三維圖

2 Fluent參數(shù)設(shè)置

在雙體船的仿真計(jì)算中，船首的計(jì)算邊界為壓力入口，船尾為壓力出口，船體表面及其他邊界設(shè)為壁面。為防止回流，速度入口距船首為2倍船長(zhǎng)，壓力出口距船尾為3倍船長(zhǎng)，側(cè)壁面距船舷為1.5倍船長(zhǎng)。因?yàn)榇白杂梢好嬗伤涂諝鈨煞N流體組成，所以采用流體體積（Volume of Fluid，VOF）模型明渠流動(dòng)捕捉自由液面，并采用k-omega湍流模型。利用平滑及網(wǎng)格重構(gòu)的方法定義動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，設(shè)置船體6個(gè)自由度信息。

3 仿真結(jié)果及分析

為研究壓浪板長(zhǎng)度對(duì)減阻率的影響，利用ANSYS Fluent仿真計(jì)算雙體船在不同航速、不同長(zhǎng)度下的航行阻力。航速選取v1=2.572 m·s-1、v2=5.144 m·s-1、v3=7.166 m·s-1，分別代表雙體船在低、中、高速航行時(shí)的速度。船尾附體壓浪板長(zhǎng)度分別選取L1=150 mm、L2=175 mm、L3=200 mm、L4=225 mm、L5=250 mm。

圖2為低、中、高3種速度下不同壓浪板長(zhǎng)度阻力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線。可以看出，3種速度下船體航行阻力隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致。零時(shí)刻，阻力值急劇升高并迅速下降，然后圍繞一定值波動(dòng)并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榇w在靜水中突然行駛時(shí)，自身具有的慣性阻力會(huì)導(dǎo)致航行阻力急劇升高。隨著時(shí)間的推移，船體穩(wěn)定，阻力趨于穩(wěn)定值。

圖2 不同速度下不同長(zhǎng)度壓浪板阻力值

減阻率n的計(jì)算公式為

式中：Rold為未優(yōu)化的航行阻力，N；Rnew為優(yōu)化后的航行阻力，N。

由圖3可知，3種速度下壓浪板長(zhǎng)度與減阻率不呈線性關(guān)系。在長(zhǎng)度為150～250 mm時(shí)，減阻率先增后減。雙體船在低、中、高速航行時(shí)，減阻率最大分別可達(dá)32.72%、23.11%和14.10%。此外，在本次仿真計(jì)算中，速度越小，減阻率越高，建議壓浪板的長(zhǎng)度控制在175～200 mm。

圖3 減阻率與速度、壓浪板長(zhǎng)度關(guān)系曲線

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為獲得雙體船減阻率與航行速度和壓浪板長(zhǎng)度之間的關(guān)系，運(yùn)用Matlab中Curve Fitting Tool工具箱，選用Polynomial函數(shù)擬合減阻率關(guān)于速度和壓浪板長(zhǎng)度的關(guān)系，擬合結(jié)果為

式中：f(x)為減阻率；x1為航行速度，m·s-1；x2為壓浪板長(zhǎng)度，mm。

為獲得3種速度下壓浪板的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Matlab遺傳算法工具箱，以min=-f(x)為適應(yīng)度函數(shù)，約束條件為式（3）進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。由表1可知，雙體船在低、中、高速前進(jìn)，壓浪板長(zhǎng)度分別選取192.76 mm、202.33 mm、191.09 mm時(shí)減阻率最大，分別為31.63%、20.31%、14.23%。為了加工和安裝簡(jiǎn)便，取3種壓浪板長(zhǎng)度均值即195.40 mm時(shí)各速度下減阻率都達(dá)到最小。

表1 優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

以金海運(yùn)船用設(shè)備有限公司的高速雙體船為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS Fluent得到雙體船減阻率與速度、壓浪板長(zhǎng)度的關(guān)系，再利用Matlab計(jì)算得出減阻率、速度以及壓浪板長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)遺傳算法優(yōu)化壓浪板長(zhǎng)度。結(jié)果表明：當(dāng)雙體船低速航行時(shí)，長(zhǎng)度為192.76 mm的壓浪板減阻率最好；當(dāng)雙體船中速航行時(shí)，長(zhǎng)度為202.33 mm的壓浪板減阻率最好；當(dāng)雙體船高速航行時(shí)，長(zhǎng)度為191.09 mm的壓浪板減阻率最好。綜合考慮加工和安裝情況，壓浪板長(zhǎng)度最終取195.40 mm。