馬雪泉,張立,2,蔣曙暉,苑志江,呂明冬

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 a.航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200135;2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,哈爾濱 150001;3.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203;4.海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116013)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,船型優(yōu)化方法已從人工方法朝著自動(dòng)優(yōu)化的方向發(fā)展,并衍生出了一些自動(dòng)優(yōu)化工具,學(xué)者們的研究表明,船型優(yōu)化工具可以提升船舶設(shè)計(jì)的高效性必要性和可實(shí)現(xiàn)性[1-4],也為船型優(yōu)化工作的開展提供了重要參考。

為設(shè)計(jì)出國內(nèi)較大噸位的多用途重吊船,以一艘在運(yùn)營狀態(tài)的62 000 DWT散貨船作為母型船,對其進(jìn)一步優(yōu)化,優(yōu)化的目標(biāo)是使優(yōu)化船型在結(jié)構(gòu)吃水和設(shè)計(jì)吃水的裝載狀態(tài)具有更優(yōu)的快速性能。

首先對母型船在結(jié)構(gòu)吃水和設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到船體靜水阻力和船體表面的壓力梯度分布、興波特性,由此然后針對艏部進(jìn)流段和船艉去流段展開線型優(yōu)化,以降低興波阻力;對船舶尾部去流段的長度進(jìn)行加長,以減小去流段流動(dòng)分離區(qū)域;對艏部線型進(jìn)行優(yōu)化,以降低船舶的興波阻力。然后對船艉的尾部流場進(jìn)行優(yōu)化,以降低船體的粘壓阻力,改善螺旋槳附近的伴流場,對船體阻力和流場進(jìn)行計(jì)算,并采用模型試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化船型的快速性能。

1 優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化策略

傳統(tǒng)的船型優(yōu)化方法是從母型船出發(fā),通過人工調(diào)整對母型船局部位置不斷調(diào)整,獲得滿足目標(biāo)要求的優(yōu)良線型。目前較為先進(jìn)的方法是結(jié)合幾何重構(gòu)技術(shù)、數(shù)值模擬和優(yōu)化算法,對船體曲面幾何的目標(biāo)指標(biāo)迭代計(jì)算,優(yōu)選出符合設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)船型。

1.1 船型主尺度和優(yōu)化目標(biāo)

母型船主尺度為:船長LPP=222.60 m、船寬B=40.00 m,設(shè)計(jì)吃水Td=11.30 m,目標(biāo)航速為14.5 kn;結(jié)構(gòu)吃水Ts=13.50 m,目標(biāo)航速為14.0 kn。優(yōu)化目標(biāo)為:在保證排水體積和主要布置變化不大的情況下,設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水下的靜水阻力降低1%以上。

1.2 優(yōu)化策略

母型船的線型經(jīng)過模型試驗(yàn)和實(shí)船試航的驗(yàn)證,具有良好的快速性能,在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化時(shí),船型優(yōu)化的難度較大,經(jīng)過分析,優(yōu)化主要從以下方面開展工作。

1)對母型船開展CFD數(shù)值模擬,分析結(jié)構(gòu)吃水和設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下目標(biāo)航速點(diǎn)的流場信息,如興波、船身壓力、船身側(cè)面的流線等。

2)確定壓力梯度分布不均勻的區(qū)域和流線變化較大的區(qū)域,進(jìn)而確定進(jìn)行幾何變換的區(qū)域。

3)開展船體幾何曲面自動(dòng)變換和數(shù)值計(jì)算評估工作。利用多工況優(yōu)化方法,以設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水的阻力結(jié)果為優(yōu)化目標(biāo),設(shè)置結(jié)構(gòu)吃水和設(shè)計(jì)吃水的阻力降低權(quán)重分別為50%,即計(jì)算目標(biāo)總阻力=設(shè)計(jì)吃水工況阻力×50%+結(jié)構(gòu)吃水工況阻力×50%,基于計(jì)算目標(biāo)實(shí)施優(yōu)化工作,篩選出計(jì)算目標(biāo)下的最優(yōu)結(jié)果。

4)基于Star-ccm+軟件設(shè)置不同的網(wǎng)格密度,進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證,對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行再次驗(yàn)證,并與母型船的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

5)采用優(yōu)化船型進(jìn)行阻力和自航試驗(yàn),驗(yàn)證船型的性能。

2 船體線型優(yōu)化

設(shè)定優(yōu)化目標(biāo),確定優(yōu)化策略,利用CAESES實(shí)現(xiàn)船體局部幾何變形,Shipflow用以求解阻力結(jié)果并利用NSGA-II優(yōu)化算法進(jìn)行船體線型優(yōu)化,最終得到的母型船和優(yōu)化船型的主尺度對比見表1。

表1 母型船和優(yōu)化船型的幾何參數(shù)對比

與母型船相比較,優(yōu)化船型的方形系數(shù)Cb保持一致,艉部機(jī)艙段線型保持不變,艉軸出口向前移動(dòng)0.05 m。優(yōu)化船型在設(shè)計(jì)吃水下的LCB向前移動(dòng)0.20 m,在結(jié)構(gòu)吃水下的LCB前移0.18 m。同時(shí),優(yōu)化船型的進(jìn)流段長度和去流段均有所增加。

3 優(yōu)化后阻力性能結(jié)果對比

將母型船和優(yōu)化船型在Star-ccm+軟件中經(jīng)過網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證,計(jì)算得到更加豐富的結(jié)果,從阻力、興波、流線等方面對比母型船和優(yōu)化線型。

3.1 阻力優(yōu)化結(jié)果

設(shè)定縮尺比為λ=28.75,分別計(jì)算模型尺度母型船和優(yōu)化船型在設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水下的目標(biāo)航速附近的靜水總阻力,結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化效果對比

在設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下,阻力分別降低1.64%和2.10%,達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

3.2 水面興波對比

以設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水的目標(biāo)航速下的計(jì)算結(jié)果為例,水面興波結(jié)果見圖1。

圖1 自由表面興波對比

圖1中,上半部分為母型船結(jié)果,下半部分為優(yōu)化船型的結(jié)果。圖1a)中,優(yōu)化船型的船身周圍的流場較為平緩,舷側(cè)的自由面興波的波高較小,船艉興波的較小,波形較為平緩。圖1b)中,在結(jié)構(gòu)吃水的目標(biāo)航速下,優(yōu)化船型的自由面興波更小,且波形分布較為平緩。

3.3 船身表面壓力對比

船身壓力對比見圖2。

圖2 船身表面壓力

圖2a)和圖2b)中,優(yōu)化船型的船艏附近,壓力分布更均勻,去流段的壓力更小,并且舷側(cè)的自由面波高更小。同樣,在圖2c)和圖2d)中優(yōu)化船型的船艏和舷側(cè)區(qū)域的壓力分布更均勻,舷側(cè)的自由面波高更小。

3.4 流線對比

在船身周圍布置相同的流線種子,得到的結(jié)果見圖3。

圖3 流線結(jié)果

圖3a)和圖3b)中,母型船在船艏的局部位置出現(xiàn)了較高的興波,優(yōu)化船型的流線分布均勻,且艏部沒有出現(xiàn)較高的興波。在自由面以下的位置,優(yōu)化船型的流線分布較為平穩(wěn),表明流場更為穩(wěn)定。圖3c)和圖3d)中,母型船和優(yōu)化船型在結(jié)構(gòu)吃水時(shí),艏部和艉部的流線結(jié)果較為近似,但是優(yōu)化船型舷側(cè)的流線分布更加均勻。

3.5 伴流分布對比

在母型船和優(yōu)化船型的槳盤面附近的相同位置,截取伴流分布,見圖4。左側(cè)為母型船,右側(cè)為優(yōu)化船型的伴流。

圖4 槳盤面處伴流分布對比

圖4a)中,母型船和優(yōu)化船型在設(shè)計(jì)吃水的14.5 kn時(shí),伴流分布近似,但是優(yōu)化船型的高伴流區(qū)域的垂向位置略低,集中在槳轂附近,在一定程度上,優(yōu)化船型的伴流分布更有利于改善推進(jìn)性能。圖4b)中,在結(jié)構(gòu)吃水Ts=13.50 m,目標(biāo)航速Vs=14.0 kn時(shí),優(yōu)化船型的高伴流區(qū)域范圍更小,高伴流區(qū)域的垂向高度較低,主要集中在螺旋槳的槳轂附近,優(yōu)化船型的伴流分布形式有助于提升螺旋槳的推進(jìn)效率。

3.6 不同吃水狀態(tài)和速度下的阻力

計(jì)算不同吃水狀態(tài)和不同速度下的總阻力,結(jié)果見表3。

表3 不同狀態(tài)和速度下的總阻力計(jì)算結(jié)果

由表3可見,3個(gè)不同吃水狀態(tài)、不同速度下的總阻力結(jié)果表明,優(yōu)化船型的阻力性能更加優(yōu)良,證明本次船型優(yōu)化達(dá)到了優(yōu)化目的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該船型的快速性能,使用相同縮尺比的船模在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所深水拖曳水池進(jìn)行結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下的阻力性能和自航性能試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場局部見圖5,采用ITTC推薦方法分析試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 模型試驗(yàn)現(xiàn)場(Ts=13.50 m)

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證和分析,結(jié)構(gòu)吃水Ts=13.50 m狀態(tài)下,對應(yīng)實(shí)船航速為13.0、14.0、15.0 kn時(shí),模型試驗(yàn)阻力結(jié)果與數(shù)值計(jì)算的誤差分別為-0.61%、-0.44%、-2.37%,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性較好;進(jìn)行自航試驗(yàn)后,對應(yīng)的推力減額t約為0.19,相對旋轉(zhuǎn)效率ηr約為1.01,在船型數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行比較,認(rèn)為該船的快速性能指標(biāo)達(dá)到了較好的水平。

5 結(jié)論

1)與母型船線型相比較,優(yōu)化船型的進(jìn)流段有所變化,其形式有助于改善船體在設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水下的興波阻力。優(yōu)化船型的船身壓力分布更均勻,自由面興波更小。優(yōu)化船型在槳盤面附近的伴流分布形式更加有助于提升推進(jìn)效率,其伴流分布更加均勻,高伴流區(qū)集中于螺旋槳槳轂附近。

2)對3個(gè)不同吃水、不同航速進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,優(yōu)化船型的降阻效果約為0.61%～3.12%,證明優(yōu)化工作有效。經(jīng)結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)的試驗(yàn)驗(yàn)證,模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的阻力結(jié)果近似,自航性能在同類近似船型中較為優(yōu)良,船型優(yōu)化工作達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。