基于快速性的船型優(yōu)化及其在三用工作船中的應(yīng)用＊

李俊來(lái) 謝永和 吳衛(wèi)國(guó) 陳景昊

（浙江海洋學(xué)院船海學(xué)院1） 舟山 316022） （武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2） 武漢 430063）

0 引 言

三用工作船是一種集海上拖帶、平臺(tái)供應(yīng)、對(duì)外消防等功能于一體的多功能船舶，兼有海上救助、海上平臺(tái)守護(hù)、幫助海上設(shè)施布錨及起錨等功能［1］。這類(lèi)船大部分作業(yè)都是后甲板進(jìn)行的，經(jīng)常要經(jīng)受風(fēng)浪流的聯(lián)合載荷作用，甚至需要在惡劣天氣下作業(yè)；另外，其船體小及干舷低，受風(fēng)浪影響大，在風(fēng)浪中搖晃厲害，甲板面特別是后甲扳在天氣惡劣時(shí)上浪嚴(yán)重.

近年來(lái)，世界各國(guó)海上油氣田資源的爭(zhēng)奪和開(kāi)發(fā)日益激烈，相關(guān)裝備產(chǎn)業(yè)也快速升級(jí)，三用工作船作為最主要的海上油田輔助工程裝備，已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相發(fā)展的重點(diǎn).鑒于其高科技含量和特種作業(yè)的復(fù)雜性特點(diǎn)和以往工作中多發(fā)事故等因素，為確保三用工作船能安全正常高效地工作，使之能在復(fù)雜的海況條件下及時(shí)配合海洋工程作業(yè)，對(duì)船型進(jìn)行深入細(xì)致的船型優(yōu)化研究必將受到人們的重視.

1 CFD船型優(yōu)化技術(shù)的內(nèi)涵

船型優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題，從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，其數(shù)學(xué)模型描述如下：

式中：f（x）為優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)；g（x）為約束函數(shù)；x為設(shè)計(jì)變量；集合D為設(shè)計(jì)空間［2］.在船型優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，目標(biāo)函數(shù)f（x）就是船舶的各項(xiàng)水動(dòng)力性能，如船舶阻力、縱搖、垂蕩等；用來(lái)控制船體幾何并能夠根據(jù)優(yōu)化算法進(jìn)行調(diào)整的的參數(shù)為設(shè)計(jì)變量x；船體幾何外形的限制條件即是約束條件g（x）.優(yōu)化問(wèn)題的設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)之間不是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)函數(shù)映射關(guān)系，聯(lián)系二者需要通過(guò)船型優(yōu)化問(wèn)題中的CFD工具［3］.基于CFD的船型優(yōu)化問(wèn)題其內(nèi)涵就是在給定幾何約束條件下，求解船體幾何參數(shù)最優(yōu)性能目標(biāo)，從而獲得最優(yōu)船型.

CFD船型優(yōu)化技術(shù)涉及到了CFD技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、船體幾何表達(dá)及重構(gòu)等技術(shù)的船型優(yōu)化，關(guān)鍵是在如何形成一個(gè)自動(dòng)化的優(yōu)化平臺(tái)以及如何建立這些功能模塊之間的聯(lián)系，從而成功實(shí)施船型優(yōu)化.

ICAO組織針對(duì)標(biāo)稱(chēng)失真提出了2-OS模型，失真模型可分為三類(lèi)：數(shù)字失真、模擬失真和混合失真.數(shù)字失真發(fā)生在有效載荷基帶信號(hào)產(chǎn)生單元的數(shù)字部分，發(fā)生數(shù)字失真時(shí)偽碼信號(hào)中正碼片和負(fù)碼片的時(shí)間寬度不再相等.模擬失真是描述導(dǎo)航衛(wèi)星有效載荷通道特性的模型，它包含兩個(gè)衰減因子σ和振蕩頻率fd參數(shù)，模型的s域表達(dá)式為：

CFD的船型優(yōu)化方法涉及到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，要在一個(gè)平臺(tái)上體現(xiàn)這些技術(shù)的綜合集成，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，由于所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域?qū)嶋H上大部分已經(jīng)相當(dāng)成熟，已有的成果可以直接應(yīng)用，可通過(guò)由簡(jiǎn)到繁逐步深入的方法來(lái)逐步進(jìn)行實(shí)際操作.適用船型優(yōu)化的具體優(yōu)化流程見(jiàn)圖1［4］.

2 CFD數(shù)值模擬優(yōu)化

圖1 基于CFD的船型優(yōu)化流程

本文主要以78m三用工作船為研究對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化比較研究，旨在為今后類(lèi)似工程船舶開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供一個(gè)數(shù)據(jù)參考.本優(yōu)化船舶為鋼質(zhì)，單甲板，單機(jī)，單槳、單舵、艉機(jī)型柴油機(jī)推進(jìn)，具有球首，能為海上石油工程提供多種特點(diǎn)作業(yè)服務(wù)的三用型守護(hù)船，航行于無(wú)限航區(qū)、近海航區(qū).

根據(jù)船體型線(xiàn)建立船體模型，進(jìn)行控制域網(wǎng)格劃分，共計(jì)單元571 386個(gè)單元，船體區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖3至圖4所示.基于CFD數(shù)值分析的阻力信息提取見(jiàn)圖5.

其次，是要備好學(xué)生。學(xué)生是教學(xué)的主體，教師在備課時(shí)勢(shì)必要充分地考慮到學(xué)生因素。具體而言，學(xué)生的個(gè)性發(fā)展差異、認(rèn)知水平差異、興趣愛(ài)好差異、特長(zhǎng)與不足上的差異等，都是教師在備課時(shí)可以綜合考慮的問(wèn)題，表現(xiàn)在教學(xué)計(jì)劃中，即可以有：對(duì)不同基礎(chǔ)的學(xué)生設(shè)置不同的教學(xué)任務(wù)；在具體的數(shù)學(xué)課題中安排擅長(zhǎng)這類(lèi)課題的學(xué)生來(lái)解答或請(qǐng)其在黑板上解題并講解；靈活安排某些狀態(tài)有點(diǎn)松懈的學(xué)生的表現(xiàn)，提攜其學(xué)習(xí)狀態(tài)；注重在教學(xué)中給以那些比較拘謹(jǐn)、不愛(ài)表現(xiàn)的學(xué)生以心理的勉勵(lì)并為他們提供適宜的表現(xiàn)機(jī)會(huì)；等等。

2.1 船型優(yōu)化前后對(duì)比

在設(shè)計(jì)航速Vs＝15kn時(shí)，優(yōu)化前后船舶阻力變化對(duì)比見(jiàn)表3.

表1 優(yōu)化前后船體主尺度比較

圖2 船體線(xiàn)型優(yōu)化前后比較

2.2 建模及船型數(shù)據(jù)提取

2.公司層面與業(yè)務(wù)層面的共同點(diǎn)。公司層面與業(yè)務(wù)層面的共同點(diǎn)主要體現(xiàn)在三方面。一是控制遵循的原則基本一致。即都要遵循全面性原則、重要性原則、制衡性原則、適應(yīng)性原則、成本效益原則；二是控制實(shí)現(xiàn)的總體目標(biāo)是一致的。即都圍繞實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)、財(cái)務(wù)目標(biāo)和合規(guī)目標(biāo)而實(shí)施；三是防范的基本風(fēng)險(xiǎn)是一致。即主要為了經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)、防范戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)、法律風(fēng)險(xiǎn)和財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 船體網(wǎng)格劃分

圖4 船體首部網(wǎng)格局部放大示意圖

圖5 船型數(shù)據(jù)的提取過(guò)程

3 優(yōu)化結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)優(yōu)化前后CFD數(shù)值計(jì)算的船體表面壓力值和摩擦阻力值，進(jìn)而計(jì)算船舶各部分阻力見(jiàn)表2.

根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算后船舶各部分阻力結(jié)果，分析比較船體阻力情況見(jiàn)圖8.

圖6 水平面繞船壓力云圖

鑒于三用工作船的屬低速船，船舶阻力中摩擦阻力占據(jù)了絕大部分，雖然優(yōu)化之后船舶興波阻力有所增加，但總體來(lái)說(shuō)，船舶阻力下降的趨勢(shì)非常明顯，所以此優(yōu)化結(jié)果可以改善三用工作船的阻力性能.

圖7 水平面繞船壓力云圖

3.1 優(yōu)化數(shù)值模型阻力性能比較

船體表面壓力分布會(huì)影響阻力計(jì)算的精度［5－9］.通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算得到不同航速下繞船體的粘性流場(chǎng)物面壓力數(shù)值.圖6～圖7分別給出了部分船體表面總壓力分布計(jì)算結(jié)果云圖.

表2 優(yōu)化前后船舶各項(xiàng)阻力比較

3.2 結(jié)果比較和分析

制冷系統(tǒng)和配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心中能源消耗最大的兩個(gè)系統(tǒng)，相對(duì)于這兩個(gè)系統(tǒng)而言，其他系統(tǒng)或設(shè)備如消防、監(jiān)控、環(huán)境照明等的耗電量幾乎可忽略。因此，可推導(dǎo)出以下近似公式：

圖8 優(yōu)化前后船舶總阻力比較

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，綜合考慮L／B和船首線(xiàn)型變化對(duì)快速性、耐波性的影響，對(duì)三用工作船進(jìn)行幾何外形優(yōu)化重構(gòu)，得到新的船型主要要素與原船型對(duì)比見(jiàn)表1.船體優(yōu)化前后線(xiàn)型變化見(jiàn)圖2.

表3 設(shè)計(jì)航速下優(yōu)化前后阻力比較 kN

從圖中可以看出，隨著航速增加，船舶航行中首部往后至船中前，表面壓力隨之增加，船體尾部壓力也有增加，但增加值不如首部大.計(jì)及升沉及縱傾后，船體表面壓力計(jì)算值能夠更好地反映船體姿態(tài)變化的影響，從而得到比較精準(zhǔn)的阻力值.

4 船模試驗(yàn)驗(yàn)證

本次試驗(yàn)對(duì)象是優(yōu)化后的三用工作船船模，在浙江海洋學(xué)院船模拖曳水池進(jìn)行了船模靜水阻力拖曳試驗(yàn)研究.試驗(yàn)船模主要尺度見(jiàn)表4.

在魚(yú)、蟹、甲魚(yú)等養(yǎng)殖中，也可以套種一些青蝦、黃鱔等新品種來(lái)養(yǎng)殖。還需要促進(jìn)整體的混合養(yǎng)殖，將龜、蟹、青蝦等養(yǎng)殖品種和魚(yú)類(lèi)進(jìn)行混合養(yǎng)殖，可以將其中的一個(gè)品種作為主體，并在有限的水體資源中充分應(yīng)用，將達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的提升。

船模試驗(yàn)采用木制船模，在艏垂線(xiàn)（艏柱前緣與設(shè)計(jì)水線(xiàn)交點(diǎn)處的垂線(xiàn)）后1／20垂線(xiàn)間長(zhǎng)處安裝1mm的激流絲，阻力試驗(yàn)按要求做了兩個(gè)載況（設(shè)計(jì)吃水載況和結(jié)構(gòu)吃水載況）.試驗(yàn)的船模外型見(jiàn)圖9，船模壓載到設(shè)計(jì)吃水載況見(jiàn)圖10.

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表4 參試驗(yàn)船模主要尺度數(shù)

圖9 船模首部

圖10 設(shè)計(jì)吃水載況狀態(tài)

對(duì)不同速度下的船模試驗(yàn)阻力結(jié)果以及換算得到的相當(dāng)速度下的數(shù)值分析數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表5和圖11.

表5 船模CFD模擬與船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖11 船模CFD模擬與船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)圖

從表5與圖11中可以看出，在低速情況下，F(xiàn)r在0.076～0.229時(shí)，經(jīng)CFD數(shù)值優(yōu)化的模擬數(shù)據(jù)與船模阻力試驗(yàn)結(jié)果基本上都吻合，結(jié)果誤差相差很小，F(xiàn)r從0.267以后，CFD優(yōu)化的結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果差異逐漸拉開(kāi)，即航速持續(xù)加快后，CFD優(yōu)化的結(jié)果偏差比較大.

本文采用CFD數(shù)值方法計(jì)算了2條三用工作船（原型和改進(jìn)型）的阻力性能.考慮三用工作船的作業(yè)服務(wù)特點(diǎn)，要求低速（≤15kn）巡航于海上石油平臺(tái)附近，為海上石油平臺(tái)提供物資和材料等工作要求［10］，通過(guò)計(jì)算值和試驗(yàn)值的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在一定弗勞德數(shù)范圍內(nèi)CFD數(shù)值模擬結(jié)果能很好地顯示船型變化對(duì)阻力性能的影響，因此基于快速性的CFD技術(shù)在三用工作船的船型優(yōu)化應(yīng)用中可以取得比較好的效果.

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