集裝箱船型線多速度點(diǎn)的數(shù)值優(yōu)化

陳紅梅 馮 毅 于 海 王金寶

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

集裝箱船型線多速度點(diǎn)的數(shù)值優(yōu)化

陳紅梅 馮 毅 于 海 王金寶

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

為獲得更優(yōu)化的EEDI指數(shù)，集裝箱船需要基于營(yíng)運(yùn)范圍內(nèi)的型線優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)油耗降低。文章以某集裝箱船為研究對(duì)象，利用數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)，采用最優(yōu)化技術(shù)、曲面自由變形技術(shù)（FFD）和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD），對(duì)船體首部型線進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)值計(jì)算表明：所得到的優(yōu)化型線高速段功率略有增加、低速段功率顯著降低。

數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)；最優(yōu)化技術(shù)；自由變形技術(shù)；計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)

引 言

降低船舶的設(shè)計(jì)航速，將導(dǎo)致所需推進(jìn)功率的相應(yīng)降低［1］。集裝箱船的航速曾一度為25 kn左右（高速段），然而，自2008年開(kāi)始，部分集裝箱船的平均航速降至20 kn左右（低速段）甚至更低，以獲得更優(yōu)化的EEDI指數(shù)。這催生出新的集裝箱船設(shè)計(jì)理念，即在盡量保持高速段的阻力性能之下，追求低速段的阻力性能。

本文采用數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)，應(yīng)用最優(yōu)化技術(shù)、曲面參數(shù)化和自由變形技術(shù)，對(duì)集裝箱船的首部，針對(duì)多速度點(diǎn)下的興波阻力系數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)原型方案和優(yōu)化方案進(jìn)行總阻力的數(shù)值驗(yàn)證，證實(shí)本文的多點(diǎn)數(shù)值優(yōu)化方法比較成功。

1 數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)

文中采用的數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)［2］主要由優(yōu)化平臺(tái)軟件OPTIMUS、曲面變形軟件DEP-Morpher、船舶性能評(píng)估CFD軟件SHIPFLOW組成。采用該集成系統(tǒng)對(duì)船體曲面的水動(dòng)力性能進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，利用OPTIMUS軟件中的最優(yōu)化技術(shù)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)［3］；利用DEP-Morpher中的參數(shù)化技術(shù)和自由變形技術(shù)，對(duì)曲面進(jìn)行改型和自動(dòng)光順［4］；利用SHIPFLOW軟件中的勢(shì)流求解器，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)［5］。

對(duì)于本文建立的數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化軟件平臺(tái)，將船舶流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件和曲面變形軟件無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)船型自動(dòng)優(yōu)化。從而可以無(wú)需人為干預(yù)，進(jìn)行較大量的方案考察，找到符合工程要求的較優(yōu)化船型。

所建的優(yōu)化平臺(tái)主要工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

2 集裝箱船首部型線多速度點(diǎn)的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化任務(wù)要求

眾所周知，不同的球首設(shè)計(jì)方案有自己的航速適用范圍，例如，適用于低速段的球首，在高速段阻力性能可能變差，故而球首的設(shè)計(jì)優(yōu)化往往是針對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行，兼顧多速度點(diǎn)的性能，使型線設(shè)計(jì)具有一定難度。

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)象為萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船。對(duì)原方案A在滿載吃水狀態(tài)下（13 m），采用FLUENT軟件就3個(gè)速度點(diǎn)，即14 kn、18 kn和23 kn，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算評(píng)估，評(píng)估結(jié)果顯示，中低速遠(yuǎn)不能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，高速點(diǎn)還稍有裕度。

本文采用數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)，在方案A基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)上述吃水狀態(tài)下不同速度的興波阻力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值自動(dòng)優(yōu)化，期望所有考核速度點(diǎn)阻力均減小，尤其需要加大低速段的阻力減小幅度。這是一項(xiàng)多速度點(diǎn)下對(duì)首部型線的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)，根據(jù)要求，本次的改型范圍限制在全船長(zhǎng)的首部?jī)烧?，主要?duì)球首進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。

2.2 首部多速度點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 建立優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)值模型

（1）目標(biāo)函數(shù)

本次優(yōu)化的目標(biāo)為設(shè)計(jì)吃水下三個(gè)不同速度時(shí)，興波阻力系數(shù)Cw最小，見(jiàn)表1。

表1 不同工況

（2）曲面參數(shù)化及定義設(shè)計(jì)變量

優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算求解過(guò)程，設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)是影響優(yōu)化所需時(shí)間的重要因素。在優(yōu)化過(guò)程中采用參數(shù)化技術(shù)，對(duì)船體曲面進(jìn)行局部或者整體參數(shù)化，減小設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)，提高優(yōu)化效率，而不明顯影響優(yōu)化效果［6-8］。

由于優(yōu)化對(duì)象速度變化范圍較大，不同速度下興波阻力值較優(yōu)的船型一般差別很大。為了解決船型變化太大導(dǎo)致船體曲面變形時(shí)可能不光順的問(wèn)題，在DEP-Morpher中采用FFD技術(shù)對(duì)首部參數(shù)化時(shí)，所有的設(shè)計(jì)變量均設(shè)置在一個(gè)控制體內(nèi)［9］，如圖2所示。

圖2 控制體

在控制體的頂點(diǎn)上分別選取適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)，對(duì)球首的主要參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化，即以控制點(diǎn)沿x軸、y軸、z軸的位置變動(dòng)量dx、dz、dy為設(shè)計(jì)變量，分別對(duì)應(yīng)球首三個(gè)特征參數(shù)，即球首的長(zhǎng)度、高度、寬度的變化。圖3所示為沿Y軸移動(dòng)控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)球首寬度的變化。

圖3 移動(dòng)控制點(diǎn)改變球首的寬度

（3）約束條件

在確定設(shè)計(jì)變量的變化范圍時(shí)，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析不同速度點(diǎn)時(shí)球首的特征參數(shù)最佳值。然后在DEP-Morpher中，在最佳值兩側(cè)，改變?cè)O(shè)計(jì)變量的值，確定設(shè)計(jì)變量的變化范圍，見(jiàn)表2。表中負(fù)值表示球首長(zhǎng)度、寬度以及高度對(duì)應(yīng)減小，正值則反之。

表2 設(shè)計(jì)變量的變化范圍

2.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果及其分析

以SHIPFLOW為計(jì)算分析軟件，采用曲面變形網(wǎng)格軟件DEP-Morpher進(jìn)行曲面變形，在OPTIMUS中建立的流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 流程圖

根據(jù)建立的流程圖，首先采用Latin-Hypercube方法，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），共計(jì)算100個(gè)方案。試驗(yàn)設(shè)計(jì)，既可獨(dú)立進(jìn)行一定程度的優(yōu)化工作，也可看作進(jìn)一步數(shù)值優(yōu)化工作必要的前處理。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量為3個(gè)，但樣本點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)變量。而從試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的結(jié)果，可以指導(dǎo)后續(xù)優(yōu)化方案的設(shè)定，有可能大大提高優(yōu)化效率，而不明顯影響優(yōu)化效果。

在作進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)，采用全局準(zhǔn)則多目標(biāo)優(yōu)化方法，目標(biāo)為不同工況狀態(tài)下興波阻力系數(shù)最小。在全局準(zhǔn)則多目標(biāo)優(yōu)化方法中，目標(biāo)函數(shù)的排序不同，優(yōu)先程度也不同，權(quán)重與目標(biāo)的排序有關(guān)，排序第一的目標(biāo)函數(shù)，權(quán)重較大，排序最后的目標(biāo)函數(shù)，權(quán)重最小。根據(jù)優(yōu)化要求，主要減小低速段的興波阻力系數(shù)，所以3個(gè)目標(biāo)函數(shù)的排序?yàn)镃w13_14、Cw13_18、Cw13_23。

同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）計(jì)算結(jié)果中各速度點(diǎn)的興波阻力系數(shù)較優(yōu)的設(shè)計(jì)變量，構(gòu)建出組合方案，作為本次優(yōu)化的起始點(diǎn)。

這樣，多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)得到最優(yōu)方案B，設(shè)計(jì)變量值的比較見(jiàn)表3，首部型線比較見(jiàn)圖5。原方案A和最優(yōu)方案B目標(biāo)函數(shù)（興波阻力系數(shù)）比較見(jiàn)表4。

表3 不同方案設(shè)計(jì)變量值的比較

圖5 最優(yōu)方案（B）與方案（A）首部比較

表4 最優(yōu)方案（B）和原始方案（A）目標(biāo)函數(shù)值的相對(duì)差異

從表3和圖5可知，最優(yōu)方案B與方案A相比，球首的主要參數(shù)長(zhǎng)度、寬度、高度均有減小。根據(jù)球首的減阻機(jī)理，該球首可對(duì)低速段船體興起的波浪產(chǎn)生有利干擾。從表4可見(jiàn)，在低速段興波阻力值有較好改善，而高速段阻力有所增加。整體上取得了比方案A更優(yōu)的效果。

3 優(yōu)化結(jié)果的數(shù)值驗(yàn)證［10］

在此次優(yōu)化工作中，僅以不同方案的興波阻力為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)總阻力并未進(jìn)行考核。因此，對(duì)原型方案A和最優(yōu)方案B，有必要采用算法更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鲌?chǎng)計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。

本文采用FLUENT軟件，通過(guò)求解RANS方程，以總阻力為目標(biāo)進(jìn)行數(shù)值驗(yàn)證。對(duì)不同方案，所有的邊界條件和網(wǎng)格劃分方法均相同。2個(gè)方案的實(shí)船總阻力結(jié)果比較見(jiàn)表5。

表5 最優(yōu)方案（B）和原始方案（A）實(shí)船總阻力的相對(duì)差異

從表5比較可知，在不同速度下，計(jì)算所顯示的B相對(duì)A的優(yōu)化效果與自動(dòng)優(yōu)化結(jié)果定性一致，即低速段的阻力性能更優(yōu)，而高速段的阻力性能略有降低。

不同方案、不同速度點(diǎn)的波形比較見(jiàn)下頁(yè)圖6。

比較兩個(gè)方案的波型：速度14 kn和18 kn，A方案球首偏大，產(chǎn)生的擾動(dòng)過(guò)強(qiáng)，對(duì)該速度范圍減阻不利；B方案球首正上方的水面提升和船體首部的波形有明顯改善，球首對(duì)船體的興波形成有利干擾。速度23 kn，A方案的首部波形比B方案好，B方案在該速度點(diǎn)首波峰和波谷均增大，阻力性能變差。可見(jiàn)，球首小對(duì)低速較有利，但是速度增高，阻力性能就會(huì)變差。粘性計(jì)算與勢(shì)流計(jì)算結(jié)果一致。

圖6 波型

4 結(jié) 論

本文利用建立的數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)，采用最優(yōu)化技術(shù)、FFD參數(shù)化技術(shù)和CFD技術(shù)，對(duì)萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船的首部型線進(jìn)行不同速度點(diǎn)的興波阻力優(yōu)化，并進(jìn)行總阻力的數(shù)值驗(yàn)證，結(jié)果表明采用數(shù)值優(yōu)化系統(tǒng)的首部型線自動(dòng)優(yōu)化方法切實(shí)可行、卓有成效，可應(yīng)用于船型優(yōu)化。

多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，相對(duì)于憑借經(jīng)驗(yàn)的人工改型，具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。本文采用數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)進(jìn)行船型優(yōu)化，獲得較理想的優(yōu)化效果，說(shuō)明采用最優(yōu)化技術(shù)在一定程度上可以超越人的經(jīng)驗(yàn)，尋找到更優(yōu)的船型設(shè)計(jì)方案，并可能帶來(lái)創(chuàng)新的船型設(shè)計(jì)思路。對(duì)本文的優(yōu)化方案，后期會(huì)進(jìn)行模型試驗(yàn)的驗(yàn)證，不斷完善數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)的功能。

［ 1 ］ 諸琳.對(duì)新造船能效設(shè)計(jì)指數(shù)的思考［J］.船舶工程，2012（1）：29-31.

［ 2 ］ 陳紅梅，蔣技赟.船舶水動(dòng)力性能的數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)研究［J］.船舶，2012（2）：21-24.

［ 3 ］ Optimus Revision 10 Theoretical Background［M］. 2011：25-26.

［ 4 ］ DEP-morpher 5.0 Help Manual［M］. 2010：405-412.

［ 5 ］ SHIPFLOW 4.7 Help Manual［M］. 2012：117-133.

［ 6 ］ 李勝忠.基于SBD技術(shù)的船舶水動(dòng)力構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.北京：中國(guó)艦船研究院博士論文，2012.

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［ 8 ］ 馮佰威，劉祖源，常海超，等.船舶CAD/CFD一體化設(shè)計(jì)過(guò)程集成技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2010（4）：649-651.

［ 9 ］ 陳紅梅.數(shù)值優(yōu)化集成系統(tǒng)在船舶水動(dòng)力性能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.［D］.上海：中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，2013：51-52.

［10］ 萬(wàn)箱集裝箱船優(yōu)化設(shè)計(jì)和CFD計(jì)算報(bào)告［R］.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，2015.

Numerical optimization of hull lines of container ship
at multi-speed points

CHEN Hong-mei FENG Yi YU Hai WANG Jin-bao
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The hull form of a container ship is optimized during its operation to attain optimal EEDI index，resulting in the reduction of oil consumption. The bow of a container ship is optimized based on the numerical optimization integration system， which incorporates the optimization technique， the free-form deformation （FFD）technique， and the computational fl uid dynamics （CFD） technique. The numerical results show that the power of the optimized hull line increases slightly at high speed， but decrease remarkably at low speed.

numerical optimization integration system； optimization technique； FFD technique； CFD technique

U661.31+2

A

1001-9855（2015）06-0008-05

2015-03-31

陳紅梅（1977-），女，博士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶型淺自動(dòng)優(yōu)化。

馮 毅（1982-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶快速性。

于 海（1980-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶CFD計(jì)算。

王金寶（1969-），男，博士，研究員，研究方向：船舶CFD研究。