21萬噸散貨船艏部型線優(yōu)化設(shè)計(jì)及阻力計(jì)算

王璐璐

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

21萬噸散貨船艏部型線優(yōu)化設(shè)計(jì)及阻力計(jì)算

王璐璐

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

FRIENDSHIP-Framework是集CAD和CFD為一體的CAE系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)建立函數(shù)化曲面的仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)而開發(fā)。在掌握FRIEDNSHIP-Framework的功能及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以21萬噸散貨船線型優(yōu)化為工程背景，運(yùn)用Shipflow軟件為計(jì)算工具，利用FRIEDNSHIP-Framework軟件對(duì)船舶艏部區(qū)域進(jìn)行局部線型優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善船首波形及船體表面壓力分布，最終達(dá)到減小興波阻力的目的。

散貨船；興波阻力；艏部優(yōu)化；航速預(yù)報(bào)

0 引言

船體型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)是改善船舶性能的關(guān)鍵，對(duì)于船舶型線的方案設(shè)計(jì)和論證需要頻繁地修改船型設(shè)計(jì)方案，能否快速生成多種目標(biāo)線型成為了優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。針對(duì)這種情況DNV·GL公司開發(fā)了基于仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的船型參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)FRIENDSHP-Framework，該軟件能夠在方案設(shè)計(jì)階段就建立三維模型，通過參數(shù)設(shè)置快速建立多個(gè)方案所關(guān)聯(lián)的三維模型，此軟件的開發(fā)對(duì)于開發(fā)新型船舶和船舶方案論證都具有深遠(yuǎn)的意義。

完成型線優(yōu)化后，需要對(duì)船舶進(jìn)行性能驗(yàn)證，而船模拖曳水池作為研究船舶性能的重要手段一直在船舶型線的研究和設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用，其結(jié)果至今仍是新船船型開發(fā)中不可或缺的重要數(shù)據(jù)。尤其是伴隨著EEDI的生效，船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)被應(yīng)用到船級(jí)社頒發(fā)EEDI證書過程的計(jì)算中，但該方法也存在著一定的缺點(diǎn)：一是花費(fèi)大，在水池做一次船模試驗(yàn)包括快速性和自航，進(jìn)行壓載吃水、設(shè)計(jì)吃水及結(jié)構(gòu)吃水幾個(gè)狀態(tài)就要花費(fèi)100萬人民幣左右；二是周期長，將線型提供給水池后，水池加工船模需要近一個(gè)月的時(shí)間，如果算上排隊(duì)做船模試驗(yàn)的等候時(shí)間和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析的時(shí)間，船模試驗(yàn)的整個(gè)周期一般要在4～5個(gè)月左右，并且船模試驗(yàn)對(duì)水池具有很強(qiáng)的依賴性。

在船舶快速性性能計(jì)算領(lǐng)域，CFD已經(jīng)成為船舶型線設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要手段，在國內(nèi)外各大船廠、設(shè)計(jì)院都得到了廣泛應(yīng)用。CFD與以往先制作船模再進(jìn)行水池試驗(yàn)相比，船型開發(fā)的時(shí)間和費(fèi)用都大幅度下降，有利于更好地提高所開發(fā)船型的性能，大大減少開發(fā)前期對(duì)船模試驗(yàn)水池的依賴。

1 軟件介紹

FRIENDSHIP-Framework是集CAD和CFD為一體的CAE系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)建立函數(shù)化曲面的仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)而開發(fā)。而FRIENDSHIP-Framework軟件的求解器SHIPFLOW是造船界廣泛認(rèn)同的功能最全面完善的計(jì)算船舶阻力性能的CFD軟件之一，是FLOWTEC公司、瑞典國家船模試驗(yàn)水池SSPA與CHALMERS工程技術(shù)大學(xué)共同開發(fā)并正在不斷完善的一款CFD軟件，它基于非線性自由面勢(shì)流理論和雷諾平均N-S方程，能夠完善地解決船舶阻力理論計(jì)算的問題。

2 船舶介紹

本船為單螺旋槳、艉機(jī)型散貨船，可裝載谷物、煤炭等。本船垂線間長294米，型寬49米，型深25.3米，設(shè)計(jì)吃水和結(jié)構(gòu)吃水分別是16.1米和18.6米，在設(shè)計(jì)吃水CSR點(diǎn)下船舶服務(wù)航速為14.2節(jié)。

3 線型優(yōu)化

在日本設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的21萬噸線型基礎(chǔ)上，對(duì)船舶艏部區(qū)域進(jìn)行局部線型變化，改善船首波形及船體表面壓力分布，最終達(dá)到減小興波阻力的目的。

在船首240米到294米處建立一個(gè)控制面，如圖1所示。通過控制面內(nèi)選擇合適位置的控制點(diǎn)，如圖2所示，來變化艏部型線。

圖1 船艏線型變化范圍

圖2 控制面內(nèi)選取的控制點(diǎn)

設(shè)置兩個(gè)參數(shù)分別為lower和higher，圖2中下排的控制點(diǎn)坐標(biāo)的Y值設(shè)為lower，將上排控制點(diǎn)坐標(biāo)的Y值設(shè)為higher，這樣就可以通過這兩個(gè)函數(shù)變量來直接控制艏部的變形量。如圖3所示，通過給函數(shù)lower和higher賦值改變艏部線型。

建立EnsembleInvestigation變換，給higher和lower函數(shù)各賦9個(gè)值，如圖4（a）所示。自由組合后即生成81個(gè)方案，如圖4（b）所示。

4 CFD計(jì)算

圖3 艏部型線變化前后對(duì)比

圖4 多方案EnsembleInvestigation變換

在利用CFD進(jìn)行船舶阻力計(jì)算時(shí)，通常依據(jù)傅汝德假設(shè)，認(rèn)為興波阻力和粘性阻力是彼此獨(dú)立的，且分別與傅汝德數(shù)和雷諾數(shù)有關(guān)。因此計(jì)算時(shí)依據(jù)勢(shì)流理論，不考慮粘性而僅考慮自由表面影響計(jì)算興波阻力，不考慮自由表面影響來求解粘性阻力。

進(jìn)行CFD計(jì)算時(shí)，計(jì)算模型尺寸與實(shí)船相同，fn與Rn采用船模尺度下的數(shù)值，進(jìn)行自由面的非線性設(shè)置，網(wǎng)格采用軟件默認(rèn)的FINE網(wǎng)格，在設(shè)計(jì)吃水16.1米下進(jìn)行勢(shì)流和粘流計(jì)算。

5 結(jié)果分析

5.1 興波阻力分析

對(duì)生成的81個(gè)方案進(jìn)行勢(shì)流理論計(jì)算獲得波形圖和船體表面壓力分布，其中第40個(gè)方案為未變形型線的計(jì)算結(jié)果。圖5下半部分為未變形方案的波形圖，上半部分為81個(gè)方案中波形最好的方案，通過兩個(gè)方案的對(duì)比圖可以看到優(yōu)化后的方案波形要優(yōu)于原方案，優(yōu)化后的船型具有更平緩的波形，船體中部的波形得到了明顯改善。

圖6（a）為優(yōu)化后的船體表面壓力分布，圖6（b）為型線變化前船體表面壓力分布，可以清楚看到，優(yōu)化后船體中部的表面壓力趨于均勻，這樣的壓力梯度會(huì)減少漩渦的形成，從而改善粘壓阻力的影響。觀察船舶舷側(cè)的興波，優(yōu)化后的船型具有更小的波浪，這與前面根據(jù)船體表面壓力分布的分析結(jié)果是一致的。原型的船體中部表面壓力有明顯的低壓區(qū)，位置高的低壓區(qū)域會(huì)直接導(dǎo)致在其附近形成一個(gè)波谷，而且在同等情況下，壓力越低，形成的波谷就會(huì)越大。原型船體表面的低壓區(qū)域更大些且數(shù)值更低，這就導(dǎo)致了在其低壓的幾個(gè)區(qū)域形成若干個(gè)波谷，從而對(duì)整個(gè)波系產(chǎn)生不利影響。而兩個(gè)船型在船體位置低一些的位置，低壓區(qū)域大小幾乎相同，所以在較低的位置減小興波能量時(shí)兩個(gè)線型沒有太大區(qū)別。

經(jīng)過CFD計(jì)算，得出變形前的興波阻力系數(shù)為0.000 411 6，優(yōu)化后的興波阻力系數(shù)為0.000 394 3，可見經(jīng)過艏部優(yōu)化后的線型在興波阻力上較原線型有一定地降低。

圖5 自由液面波系比較（下方為原型，上方為改型）

圖6 船體表面壓力分布圖

為了更形象地描述波浪的幅值，在船側(cè)生成了縱切波圖，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后線型在船中部波峰和波谷的峰值得到了改善，這將有利于降低興波對(duì)船體阻力的貢獻(xiàn)。

圖7 船體舷側(cè)波分布圖

從FRIENDSHIP-Framework優(yōu)化結(jié)果來看，優(yōu)選的方案興波阻力明顯下降。由于僅修改艏部線型，對(duì)艉部的螺旋槳伴流影響不大，總體來說，優(yōu)化起到了一定的作用。研究表明，適當(dāng)修改艏部線型，減小艏部的進(jìn)水角能夠更好地減小興波阻力的影響。

5.2 航速預(yù)報(bào)

5.2.1 實(shí)船總阻力計(jì)算公式

根據(jù)IITC 1957推薦的方法進(jìn)行計(jì)算：

式中Rns——Vs=14.5節(jié)時(shí)的雷諾數(shù)。

根據(jù)此公式，得到實(shí)船的摩擦阻力系數(shù)：

式中ks——船體表面粗糙度，水池取150× 10-6或125×10-6；

Lwl——水線長。

由此，計(jì)算得到船體表面粗糙度補(bǔ)償值：

式中AT——水線以上船體及上層建筑在橫中剖面的投影面積；

S——濕面積。

式中S——實(shí)船的濕表面積；

Sbk——舭龍骨面積；

Cr——船模剩余阻力系數(shù)；

CAA——空氣阻力系數(shù)。

式中ρ——15℃下海水密度；

V——設(shè)計(jì)吃水下的服務(wù)航速，m/s。

根據(jù)螺旋槳敞水試驗(yàn)得到螺旋槳敞水性征曲線，如圖8所示。從圖中可以得到，進(jìn)速系數(shù)J，敞水轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ，敞水效率Etao和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率Etar。根據(jù)公式tm=（T-R）/T，求出推力減額系數(shù)；根據(jù)公式ωm=1-JnD/Vm，求出船模的伴流分?jǐn)?shù)；根據(jù)公式Etah=（1-tm）/（1-ωm），求出船身效率，最后根據(jù)Etad=Etao·Etah·Etar求得推進(jìn)效率。

實(shí)船伴流分?jǐn)?shù)為

1981年第十六屆國際船模試驗(yàn)池會(huì)議建議：采用功率因子CP及轉(zhuǎn)速因子CN進(jìn)行修正，CP和CN的數(shù)值由各水池根據(jù)自己積累的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料決定，一般情況下：

CP=0.97CN=0.99（結(jié)構(gòu)吃水和設(shè)計(jì)吃水）；

CP=1.00CN=1.00（壓載吃水）。

最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出功率、航速及轉(zhuǎn)速曲線圖。

由此得到實(shí)船的總阻力系數(shù)：

圖8 螺旋槳敞水性征曲線

5.2.2 計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化

經(jīng)過CFD計(jì)算得到原型及優(yōu)化后的數(shù)值，如表1所示。根據(jù)計(jì)算公式得到航速預(yù)報(bào)結(jié)果，如表2所示。

表1 FRIENDSHIP-Framework軟件計(jì)算結(jié)果

表2 航速預(yù)報(bào)

經(jīng)過計(jì)算可知原型和優(yōu)化方案的排水量相差不大。表1中給出了原形和優(yōu)化后的阻力系數(shù)。通過興波阻力系數(shù)的比較可以看出，優(yōu)化方案的興波阻力系數(shù)較原型下降約4.2%，在航速為14.5節(jié)時(shí)實(shí)船總阻力系數(shù)下降1.7%（如表2所示）。

對(duì)已設(shè)計(jì)好但性能不夠理想的船舶線型，通過局部改型來改善船舶阻力和節(jié)省能耗是一種行之有效的方法。

6 展望

本次優(yōu)化只是針對(duì)艏部線型進(jìn)行變化的，通過減小艏部進(jìn)水角來優(yōu)化自由面波形及減小興波阻力，未來我們還可以進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作：通過艉部的型線優(yōu)化來降低粘壓阻力，進(jìn)一步降低總阻力系數(shù)；通過優(yōu)化浮心位置來降低總阻力系數(shù)；進(jìn)行自航計(jì)算，通過優(yōu)化艉部線型來改善螺旋槳盤面的伴流分布。

[1]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[2]蔡榮泉.關(guān)于船舶CFD的現(xiàn)狀和一些認(rèn)識(shí)[J].船舶,2002 (1):29-37.

[3]MBrenner,CAbt,SHarries,等.有助于加快設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)綠色產(chǎn)品的Feature(特征)建模技術(shù)和仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].船舶工程,2011(2):1-7.

[4]陳偉,謝琪,朱加剛.CSR散貨船艏艉結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].船海工程,2015(2):28-30+35.

［責(zé)任編輯：劉月］

The Optimizing Design of 210 000 t Bulk Cargo Ship Bow Mold Line and Resistance Calculation

WANG Lulu
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

FRIENDSHIP-Framework is a CAE system platform which integrates CAD and CFD as a whole,and it is developed to realize the driving simulation design for establishing function curve.On the basis of mastering the function and application methods of FRIENDSHIP-Framework,under the engineering background of 210 000 t bulk cargo ship mold line optimization,using Shipflow software as the calculation tool, the researcher makes the bow area part mold line optimizing design via FRIENDSHIP-Framework software,to improve the bow waveform and hull surface pressure distribution,and finally to reduce the wave resistance.

bulk cargo ship;wave resistance;bow optimizing;ship speed forecast

U661.1

A

：2095-5928（2015）05-43-05

2015-07-21

遼寧省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會(huì)2015-2016年度科研課題（LZY15070）

王璐璐（1982-），女，遼寧葫蘆島人，講師，學(xué)士，研究方向：船舶與海洋工程。