縱傾優(yōu)化技術在配載儀軟件中的實現(xiàn)

張宏娟顧解忡

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

縱傾優(yōu)化技術在配載儀軟件中的實現(xiàn)

張宏娟1,2顧解忡1

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

縱傾優(yōu)化技術是提高船舶運營效益，降低航行能耗的新興技術。配載儀是作為評估船舶安全性的關鍵設備，如何在現(xiàn)有的配載系統(tǒng)中融入縱傾優(yōu)化技術是文章研究的主要內容。文中結合某液化石油氣船配載儀的研制任務，在擁有自主知識產權的配載儀軟件中新增縱傾優(yōu)化功能模塊，以此達到節(jié)能的效果。該模塊通過結合計算流體力學的仿真分析或者來自于船模試驗的數(shù)據(jù)，采用雙線性插值算法找尋指定航速與吃水條件下的最優(yōu)縱傾。

縱傾優(yōu)化；節(jié)能；計算流體力學；仿真

引 言

低碳經濟作為世界經濟發(fā)展的潮流，越來越受到各國政府的重視，國內外船東對船舶節(jié)能減排、綠色環(huán)保的要求也越來越高［1］。智能船舶是船舶技術的發(fā)展趨勢，其中的智能能效管理部分就涉及了船舶縱傾優(yōu)化功能［2］。配載儀軟件既有計算船舶縱傾優(yōu)化所需的浮態(tài)信息，又有根據(jù)最佳縱傾調整裝載分布的功能，縱傾優(yōu)化功能與船舶裝載儀軟件終將達到最有效的結合。

本文基于擁有自主知識產權的配載儀軟件，采用模塊化設計，把縱傾優(yōu)化作為該軟件的一個功能模塊。這不僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的再利用，還可為今后的動態(tài)縱傾優(yōu)化功能打下良好基礎。文中以液化石油氣船為研究對象，運用船模試驗技術和CFD仿真分析技術開展縱傾優(yōu)化研究，并在配載系統(tǒng)中成功融入縱傾優(yōu)化技術，提高該型船的運營效益。

1 計算理論

1.1 縱傾優(yōu)化理論基礎

船舶航行阻力由水阻力和空氣阻力組成，水阻力是主要的，它與船型、船體表面粗糙度、排水量、水深、航速和縱傾角等諸多因素有關。

船舶在配載量確定的情況下，其排水量也確定。如果改變其縱傾角，則船舶水下體積幾何形狀將會改變，船體水線形狀和水線長度、浮心位置、船首來流、船尾去流等都將相應改變，這些變化必然導致水阻力的改變，興波阻力、摩擦阻力和粘壓阻力都會有所改變。同時，由于船舶航行姿態(tài)的改變，不同的縱傾角也將引起船舶尾部流場的變化，對船舶螺旋槳的推進效率也會產生一定的影響。研究表明，限定船舶在深水域航行，不同線型的船舶在不同吃水（滿載、壓載、半壓載等）工況下，不同的航速均有一個明確的最佳浮態(tài)與其對應。

縱傾優(yōu)化就是計算船舶在任意特定配載工況和任意特定航速下的阻力，引進系統(tǒng)優(yōu)化思想，以最小阻力為目標，在全面考慮航行視線、穩(wěn)性、強度安全的基礎上，確定船舶航行最佳縱傾浮態(tài)，為船舶實際營運中最佳縱傾操作提供建議。船舶縱傾優(yōu)化就是通過理論結合實際的方法，

首先應用相關軟件進行設計狀態(tài)下的船舶CFD阻力性能仿真計算，通過大量的模擬數(shù)據(jù)計算出特定吃水和特定航速下的主機功率曲線，并通過水池實驗或者實船試航對其進行抽樣驗證，最終實現(xiàn)通過軟件推算出特定吃水和特定航速下的最優(yōu)縱傾。

1.2 縱傾優(yōu)化理論研究方法

為尋求各浮態(tài)、航速下的最優(yōu)縱傾，必須計算相應的船舶阻力。船舶阻力有三種研究方法，即理論方法、數(shù)值模擬和試驗方法。由于理論方法基于簡化的船體模型，還不能適用于實船研究及相關計算，故只能通過數(shù)值模擬和試驗方法來獲得船舶阻力。目前，數(shù)值模擬主要是利用商業(yè)軟件（如Shipflow、Fluent、CFX等）來模擬船體周圍流場和計算船舶阻力，試驗方法包括船模試驗和實船試驗。實船試驗的工作主要實施于本軟件安裝之后，實際能夠為我所用的只有拖曳水池的船模實驗數(shù)據(jù)。

1.3 CFD建模技術與船模試驗的比較

CFD仿真建模技術與船模試驗技術各有利弊，表1對兩種不同的獲取所需數(shù)據(jù)的方法作了比較。

表1 建模技術比較

2 縱傾優(yōu)化計算模塊的總體設計

2.1 縱傾優(yōu)化流程設計

實際工作中，應根據(jù)用戶的要求和條件，來決定采用CFD建模技術或者船模試驗技術。前者根據(jù)提供的船型數(shù)據(jù)，利用專業(yè)軟件建模，通過模擬計算獲取縱傾阻力數(shù)據(jù)；后者則通過船模試驗獲得縱傾阻力數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將為縱傾優(yōu)化計算功能提供支持。

需求分析是縱傾優(yōu)化功能模塊設計的起點，目標是通過借鑒國外縱傾優(yōu)化技術，梳理用戶需求并收集獲取原始數(shù)據(jù)的方法、手段和格式，從而在原有基礎上設計新系統(tǒng)的功能。因此，本模塊開發(fā)的整體思路是：

（1）選擇自主開發(fā)的良好平臺：具備面向前期設計的基本功能，有良好的可擴展性，基本框架滿足前期設計自頂向下和反復修改的特點。

（2）能融合現(xiàn)有設計手段，通過接口快速導入基礎數(shù)據(jù)。

所以本模塊將以自主研發(fā)的配載儀系統(tǒng)為基礎平臺，結合計算流體力學模型或船模試驗模型數(shù)據(jù)，開發(fā)縱傾優(yōu)化計算功能。其中開發(fā)過程中的難點在于：

（1）確保數(shù)據(jù)的完整性。如果在需求分析階段調查得到的數(shù)據(jù)不全面就無法滿足縱傾優(yōu)化計算的數(shù)據(jù)要求，將導致設計過程的反復，從而延長整個軟件的開發(fā)時間。

（2）與其他功能模塊的聯(lián)系。本功能模塊雖然相對獨立，但是需要從配載計算的結果中獲取浮態(tài)信息作為計算的輸入，計算完成后，還需要將計算結果反饋到配載工況中，因此，如何既能保證模塊的正常運行，又能順利進行數(shù)據(jù)交互，是一個需要研究設計的環(huán)節(jié)。

最終，根據(jù)需求分析結果得出縱傾優(yōu)化計算模塊的工作流程如圖1所示。

2.2 縱傾優(yōu)化計算數(shù)據(jù)獲取及分析

船舶在設計階段，隨著線型模型的確定，船舶的諸多性能曲線就已經固定，縱傾優(yōu)化功能所需的數(shù)據(jù)也是基于此階段模型的。一般有兩種方式提供，一種是船模水池試驗，通過不同狀態(tài)下的船模阻力試驗或自航試驗，得到一系列有效的功率點；另一種是理論計算，通過在計算機上使用計算流體力學（CFD）模擬船體三維模型周圍的水流情況，給定吃水和縱傾，可以計算出每個航速下的有效功率數(shù)據(jù)點列。

無論選擇哪種方法得到縱傾優(yōu)化功能的計算數(shù)據(jù)，都需要注意數(shù)據(jù)的合理性。為了減少船模水池試驗或CFD模擬計算的費用和縮短周期，同時要保證一定的精確度，一般選擇5～6個吃水，4～5個縱傾，每種組合得到7～8個航速下船舶有效功率點列，將產生的點列按照一定規(guī)則繪制成曲線圖，見下頁圖2。

此外，吃水范圍應該涵蓋幾個典型工況：最小壓載、最大滿載、設計吃水等狀態(tài)，縱傾范圍應該滿載規(guī)范要求的最大縱傾，可以不考慮首傾。如果船舶的實際浮態(tài)和航速與上述點列不一致時，需要使用樣條擬合的方法，將有效功率點列擬合成平滑曲線，然后吃水、縱傾序列按照0.1 m的間距，航速序列按照0.1 kn，內插出一系列的點列形成縱傾優(yōu)化圖譜，圖譜有多幅，按照不同的航速給出，每個圖譜上表示吃水、縱傾和有效功率關系，以供使用，如圖3所示。

由此可見，對于各個平均吃水，確實存在各自不同的最佳縱傾，且各最佳縱傾狀態(tài)相對平均吃水狀態(tài)的有效功率下降幅度也不同，在不同速度下的節(jié)能效果也不一樣，最大超過5%，但是平均值至少在0～2%的范圍內。

2.3 基于雙線性插值的尋優(yōu)算法

雙線性插值是指由兩個自變量的插值函數(shù)的線性插值擴展，其核心思想是在兩個方向分別進 行線性插值，從而得出未知函數(shù)P = f（x，y）的近似值。考慮到縱傾優(yōu)化計算模塊可以在縱傾與航速這兩個變量中選擇一個作為自變量。因此，本文形成六類曲線序列，分別是定航速、定吃水與定縱傾下的航速縱傾與阻力系數(shù)曲線組、吃水與阻力系數(shù)曲線組以及縱傾與阻力系數(shù)曲線組，從而根據(jù)數(shù)據(jù)類型定向插值，求出另一變量與阻力系數(shù)的數(shù)值關系，以此得出最優(yōu)值。

3 縱傾優(yōu)化計算模塊的軟件實例

3.1 縱傾優(yōu)化計算模塊主界面

本文以某液化石油氣船為背景，設計縱傾優(yōu)化計算模塊主界面。用戶啟動配載儀軟件后，在主窗口中選擇Utility菜單，點擊OptiTrim選項啟動縱傾優(yōu)化功能模塊，此時系統(tǒng)彈出如圖5所示的窗口。

主窗口右側部分設定吃水、縱傾和航速3D曲面圖中綠色區(qū)域為較優(yōu)的縱傾變化范圍，紅色區(qū)域為不合理范圍，黃色區(qū)域為中間范圍。鼠標拖動圖形，可以改變視角。

3.2 數(shù)據(jù)計算結果及有效性分析

表2列出軟件所得最優(yōu)縱傾（1.5 m）時的能量消耗數(shù)據(jù)。

表2 實船航速預估(T = 7.50 m，縱傾1.5 m)

隨著吃水增大，船舶阻力將增大，姿態(tài)變化對阻力變化的敏感度也將相應增加。目標船在高航速17～18.5 kn航行時，姿態(tài)變化引起的阻力變化較低航速時更明顯，最大變化量能達到8.1%。在13～15 kn時姿態(tài)變化可降低船舶輸出功率，平均達到5.6%，而在稍低航速8 kn時調整姿態(tài)約可節(jié)能3%。

可見，動態(tài)縱傾優(yōu)化對該目標船可減少燃油消耗1%～8%，在降低碳排放和營運成本方面將發(fā)揮積極作用。

4 結 論

本文著重解決的問題：

（1）船模試驗數(shù)據(jù)與CFD建模數(shù)據(jù)的有效性分析，并經過處理后作為軟件的分析計算數(shù)據(jù)；

（2）基于雙線性插值的尋優(yōu)算法，用最有效且最快速的方法，在大量數(shù)據(jù)中，得出最終結果。

本文所開發(fā)的縱傾優(yōu)化功能模塊的程序經過測試和質量控制檢驗，完全符合開發(fā)要求和質量要求，并能與原有系統(tǒng)很好地實行數(shù)據(jù)交換。具有縱傾優(yōu)化功能模塊的配載儀軟件系統(tǒng)，已經交付用戶，并得到了用戶的認可，實現(xiàn)了需求分析中所列的功能要求和預期指標。在將來縱傾優(yōu)化計算模塊將能為智能船舶中的能效領域發(fā)揮積極作用。

［1］黃勝，郭春雨.船舶推進節(jié)能技術研究與進展［J］.艦船科學技術，2007（1）：27-32.

［2］中國船級社.智能船舶規(guī)范2015［R］. 2016.

［3］ENIRAM.實現(xiàn)運營中船舶效率的提高：船舶動態(tài)縱傾優(yōu)化指南［R］. 2012.

［4］梁龍杰.淺談船舶低碳節(jié)能優(yōu)化管理［D］.重慶交通大學，2012.

［5］歐禮堅.淺談船舶節(jié)能技術改造［J］.廣東造船，2003（4）：35-36.

［6］葉高文.船舶節(jié)能新技術開發(fā)與應用研究［J］.機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2007（6）：106-107.

Implementation of trim optimization technique in loading calculator

ZHANG Hong-juan1,2GU Xie-chong1
(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 20001 1, China)

Trim optimization technology is an emerging technology for maximizing the operation benefit and minimizing the navigation energy consumption. The loading calculator is a key equipment for the evaluation of the ship safety. This paper mainly focuses on the integration of the trim optimization technology into the existing loading calculator. Based on the researching of the loading calculator on a certain LPG vessel, trim optimization modules are introduced into the loading computer software with the independent intelligent property right for energy-saving. In combination with the numerical simulation of the computational fl uid dynamics or the data from the ship model test, the optimal trim under the prescribed velocity and the draft is obtained by the bilinear interpolation algorithm.

trim optimization; energy saving; computational fl uid dynamics( CFD) ; simulation

U662.9

A

1001-9855（2017）03-0021-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.021

2016-11-08；

2016-11-21

張宏娟（1985-），女，碩士，工程師。研究方向：船舶設計計算機信息技術。

顧解忡（1962-），男，博士，副教授，碩士生導師。研究方向：浮體運動學。