CFD在2 500TEU集裝箱船線型優(yōu)化中的應(yīng)用

易 歆，陳 莉

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州510027）

1 概述

近幾年來根據(jù)航運(yùn)市場和環(huán)保要求的不斷變化，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)則也發(fā)生了巨大的變化，減速航行是各大航運(yùn)公司普遍采用的節(jié)約成本的做法。減速航行帶來了集裝箱船主尺度（如船舶總長、船舶寬度等）相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生了明顯的變化，新船型設(shè)計(jì)要求在保證最大裝箱量和航速條件下盡可能地降低船舶的油耗。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，需要通過聯(lián)合運(yùn)用線型優(yōu)化技術(shù)并結(jié)合實(shí)船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來降低船舶阻力、提高推進(jìn)效率、減小裝機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)超低的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）。

某2 500TEU集裝箱船是我司重點(diǎn)開發(fā)的新型集裝箱船，適合全球無限航區(qū)航行，滿足巴拿馬、蘇伊士運(yùn)河等通航要求，具有總布置緊湊、集裝箱裝載能力強(qiáng)、航速適中燃油經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，是新一代的綠色環(huán)保船型。本文從使用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）進(jìn)行線型優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度介紹其開發(fā)設(shè)計(jì)過程和技術(shù)。集裝箱船通常追求高的載箱量指標(biāo)，主尺度如船長、船寬、型深等主要由船舶的載箱量和集裝箱布置來決定。經(jīng)過對市場上同類型船舶的調(diào)研和前期的方案設(shè)計(jì)，確定它的主尺度參數(shù)如下：

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

目前使用的集裝箱船線型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有以下三種：

（1）基于Operation Profile要求使用全參數(shù)法；

（2）基于Operation Profile要求結(jié)合經(jīng)驗(yàn)＋CFD優(yōu)化方法；

（3）基于設(shè)計(jì)要求結(jié)合經(jīng)驗(yàn)＋CFD優(yōu)化方法。

本項(xiàng)目集裝箱船屬于布置型船舶，線型優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是滿足集裝箱布置和裝載能力的需求，同時(shí)保證較高的目標(biāo)航速。根據(jù)實(shí)際條件，我們選擇了基于Operation Profile要求結(jié)合經(jīng)驗(yàn)＋CFD的多點(diǎn)多目標(biāo)優(yōu)化方法。

在方案設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)歐洲船東市場調(diào)研和實(shí)際航線運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，要求本船能滿足設(shè)計(jì)吃水下V=19 kn的最大航速，達(dá)到快速及時(shí)運(yùn)載貨物的目的；同時(shí)在中低速航行V=12～18 kn航速范圍內(nèi)保持較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)各個(gè)航行工況下的阻力系數(shù)乘以權(quán)重再求和，我們得到比較線型優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的指標(biāo)。對于母型船線型分析確定需要優(yōu)化的參數(shù)并計(jì)算得到多個(gè)參數(shù)變化后的線型，通過CFD計(jì)算優(yōu)化后線型的阻力的方法篩選出波形光順、在各個(gè)航行工況下綜合阻力指標(biāo)最好的線型。

我們的設(shè)計(jì)合作方提供了2 500TEU的母型船設(shè)計(jì)線型，通過對此線型的研究和相似船型經(jīng)驗(yàn)，我們確定了需要優(yōu)化16～18 kn范圍內(nèi)在設(shè)計(jì)吃水9.5 m和結(jié)構(gòu)吃水11.5 m的線型，另外需要降低球鼻首高度以減小首部的興波來提高快速性。

本項(xiàng)目在使用CFD設(shè)計(jì)軟件SHIPFLOW對全船外殼線型建模后，通過設(shè)定邊界條件，包括排水體積、浮心位置、初穩(wěn)性高等穩(wěn)性特性、集裝箱布置和機(jī)艙設(shè)備布置所需特殊寬度等約束條件，對包含浮心位置、最寬橫剖面位置、最寬橫剖面位置起始角和終止角等多參數(shù)化的模型優(yōu)化計(jì)算就能得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過對優(yōu)化方案的阻力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較得到滿足operation profile要求的目標(biāo)線型。

模型參數(shù)的變化范圍、約束條件的多少都會(huì)影響到優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的數(shù)量，本次優(yōu)化過程中一共生成了300多個(gè)優(yōu)化方案，采用SHIPFLOW軟件計(jì)算各個(gè)方案的興波阻力值，從中選取興波阻力最小的方案。從方案數(shù)值計(jì)算結(jié)果來看，優(yōu)化前后興波阻力有一定程度的改善，從波形分析同樣可以得到相同的結(jié)論。

新的線型相比初步線型約有2.9% 的阻力下降，主要是在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)吃水處水線面首尾部肋骨線的曲率作了優(yōu)化，平行中體部分變化不大。此船線型優(yōu)化的重點(diǎn)在于首尾部分，首部線型及球鼻首對阻力影響很大，尾部線型則影響了伴流。根據(jù)此線型我們委托德國SVA拖曳水池進(jìn)行了帶庫槳的船模阻力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：設(shè)計(jì)吃水9.5 m時(shí)基本能夠達(dá)到V=19 kn的航速要求，但在航速V=12-16 kn阻力較大；結(jié)構(gòu)吃水11.5 m時(shí)曲線較為平滑，在航速V=12-16 kn時(shí)仍然還有所突起。顯然，在航速V=12～16 kn范圍內(nèi)阻力還需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖1 航速阻力試驗(yàn)結(jié)果圖

考慮到設(shè)計(jì)航速、船體主尺度及初穩(wěn)心高等基本上能滿足集裝箱裝載要求，本船線型不需要再做過多修改。針對這個(gè)低速下阻力過高的問題，我們的解決思路是通過修改球鼻首來改善低速下的阻力特性。為此，我們使用CASES、 SHIPFLOW軟件進(jìn)行CFD球鼻首的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小在較低航速下的阻力。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中選取了球首高度、寬度、球鼻高度等多個(gè)參數(shù)，以減小興波阻力為目標(biāo)進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化計(jì)算。

遺傳算法是一個(gè)以適應(yīng)度函數(shù)（目標(biāo)函數(shù)）為依據(jù)，通過對種群個(gè)體施加遺傳操作實(shí)現(xiàn)種群內(nèi)個(gè)體結(jié)構(gòu)重組的迭代處理過程。在這一過程中，群體個(gè)體（問題的解）逐代優(yōu)化并逐漸逼近最優(yōu)解。SHIPFLOW軟件是使用遺傳算法NSGAII對球鼻首型線進(jìn)行的優(yōu)化分析，輸出的優(yōu)化結(jié)果為船模尺度下的解。在穩(wěn)性特性如排水量、浮心位置、初穩(wěn)心高等約束條件基本保持不變的情況下，從中初步優(yōu)選得到B1～B12共12種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

通過使用CFD軟件SHIPFLOW對這12種優(yōu)化方案進(jìn)行了各航速下的阻力預(yù)報(bào)，計(jì)算結(jié)果顯示了相對于原線型各個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)吃水分別在V=16、V=18、V=19 kn航速下的阻力變化情況。其中B11的優(yōu)化方案在設(shè)計(jì)吃水9.5 m、16 kn的工況下阻力降低了2.5%，在設(shè)計(jì)吃水9.5 m、19 kn的工況下阻力提高了0.3%。經(jīng)過綜合考慮12個(gè)方案在各個(gè)航速下的阻力優(yōu)化大小，我們選取了B11作為最終的球鼻首優(yōu)化方案。

3 通過船模試驗(yàn)確認(rèn)CFD優(yōu)化

按照修改后的B11線型，我們重新進(jìn)行了船模阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在保證設(shè)計(jì)航速的情況下，V=12～18 kn航速下的阻力結(jié)果達(dá)到了與預(yù)期相近的改善效果。通過本次船模水池試驗(yàn)，驗(yàn)證了CFD在本船線型優(yōu)化設(shè)計(jì)上的預(yù)報(bào)作用，完成了一次成功的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)。修改線型后的船模阻力試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 航速功率試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了某2 500TEU集裝箱船的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和過程。確定船舶主尺度和Operation Profile后，在優(yōu)秀的母船型線型基礎(chǔ)上按照集裝箱裝載要求等約束條件，選取多個(gè)參數(shù)變化來達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)CFD軟件預(yù)報(bào)結(jié)果選擇最合適的設(shè)計(jì)方案。船模水池試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了使用CFD軟件優(yōu)化計(jì)算和航速預(yù)報(bào)的有效性，完成了目標(biāo)船舶的線型優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)，為使用CFD軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)此類型船的線型設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例參考。