基于數(shù)值方法的某高速執(zhí)法船快速性綜合優(yōu)化研究

張磊 段明昕 劉金剛 程宣愷

摘要：本文對某高速執(zhí)法船的線型進(jìn)行了基于參數(shù)化變形和數(shù)值模擬方法的快速性綜合優(yōu)化研究，運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算分析了排水量分布、球艏和船艏、船艉及附體軸支架等部位的改型對船體阻力及伴流的影響。根據(jù)分析結(jié)果綜合優(yōu)化了船體線型，并對優(yōu)化后的線型進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)報(bào)，并和模型試驗(yàn)結(jié)果對比。結(jié)果表明：數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果具有較高的精度，優(yōu)化結(jié)果也滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性和優(yōu)化思路的正確性。

關(guān)鍵詞：快速性;線型優(yōu)化;數(shù)值方法;船模試驗(yàn)

0引言

執(zhí)法船是維護(hù)海上安全，執(zhí)行海上任務(wù)的一類艦船，通常應(yīng)具備航速高、耐波性好、操縱靈活等特點(diǎn)。近年來，我國周邊島礁之爭日趨緊張，而現(xiàn)役的某些維權(quán)執(zhí)法船在設(shè)計(jì)性能和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面已不太適應(yīng)當(dāng)前執(zhí)法形勢的需求。因此，該類執(zhí)法船的升級換代勢在必行。

目前，我國主要的維權(quán)執(zhí)法艦船在快速性、機(jī)動性、對抗性能力、任務(wù)系統(tǒng)等方面與周邊一些國家的艦船還存在著差距。特別是快速性，25kn以上的艦船數(shù)量很少，在對抗穿插占位中處于明顯劣勢。

隨著CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)的發(fā)展以及船舶行業(yè)節(jié)能減排設(shè)計(jì)要求的提高，CFD數(shù)值模擬方法在船舶性能研究領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，主要用于對大量優(yōu)化方案的性能評估和分析。

本文以某高速執(zhí)法船線型優(yōu)化為例，基于CFD方法進(jìn)行了快速性綜合優(yōu)化研究。優(yōu)化中既追求減小阻力，也兼顧提高推進(jìn)效率。主要運(yùn)用參數(shù)化線型變換軟件CAESES對船體排水量分布、球鼻艏及船艏形狀、艉封板高度及分流踵形式等進(jìn)行方案變換，對軸支架角度進(jìn)行多角度組合得到不同方案;然后運(yùn)用CFD計(jì)算軟件SHIPFLOW和STAR-CCM+分析了不同優(yōu)化方案的阻力性能及伴流分布;最后，通過水池模型試驗(yàn)對最終優(yōu)化方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1船型及螺旋槳主要參數(shù)

本文所述高速執(zhí)法船在該類船型中屬于噸位較大者，同時(shí)為了滿足當(dāng)前執(zhí)法需求，對航速、耐波性、機(jī)動對抗性等方面均有較高要求。設(shè)計(jì)航速的傅氏數(shù)為0.380，興波阻力在總阻力中占較大比例，因此球艏及艏部應(yīng)該是優(yōu)化重點(diǎn)之一;艉部由于總體布置需要，艉封板無法抬高到水線面;為了提高推進(jìn)效率，螺旋槳采用內(nèi)旋雙槳，且槳徑較大，因此需要設(shè)置分水踵來防止雙槳相互不利的干擾;每側(cè)軸支架均采用前“I”后“V”的形式，因此軸支架角度對阻力性能的影響不可忽視。在確定了主尺度后，在母型數(shù)據(jù)庫中選擇合適的母型，通過變換得到該船的原型，螺旋槳采用庫存槳。船體和螺旋槳的主要參數(shù)見表1。

2線型設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1排水量縱向分布優(yōu)化

縱向浮心位置是決定船體性能的基本參數(shù)之一，排水量縱向合理分布可以有效改善船體興波阻力和粘壓阻力性能。

采用參數(shù)化線型變換軟件CAESES對初始線型的浮心位置、最寬橫剖面位置、最寬橫剖面位置起始角和終止角等進(jìn)行優(yōu)化，生成300個(gè)變換方案，并用CFD軟件SHIPFLOW中基于勢流理論的計(jì)算模塊評估各方案的阻力性能。綜合比較各方案的阻力系數(shù)值和波形圖，選取最優(yōu)方案。優(yōu)化后線型的浮心位置前移了約2.13%Lpp，興波阻力系數(shù)Cw降低約2.33%。

圖1和圖2分別為優(yōu)化前后的自由面波形對比圖和波高對比圖。由圖可以看出自由面波形有所改善，波幅有所降低，尤其船身后半段有明顯降低。進(jìn)一步用基于粘流理論的CFD軟件STAR-CCM+評估得知優(yōu)化方案的總阻力降低約3.62%。這一方面由于艏部變胖，改善了原有的興波干擾;另一方面艉部變瘦，使艉部壓力分布更加合理，降低了粘壓阻力。

2.2球艏及船艏優(yōu)化

該執(zhí)法船設(shè)計(jì)航速下傅氏數(shù)約0.380，因此艏部興波阻力對快速性的影響較大。通過CAESES軟件和SHIPFLOW軟件（勢流計(jì)算模塊）的聯(lián)合使用，對球艏做參數(shù)化變形并進(jìn)行性能評估，選取最優(yōu)方案。此外，考慮到船艏興波較高，對船艏做進(jìn)一步收瘦。

運(yùn)用CAESES軟件中的surface delta shift功能對球艏部位的曲面進(jìn)行參數(shù)化控制，在給定的參數(shù)變化范圍內(nèi)，球艏從長度、寬度、高度等3個(gè)方向綜合變形，隨機(jī)得到300個(gè)變形方案。通過SHIPFLOW軟件計(jì)算每個(gè)方案的興波阻力，通過比較分析興波阻力值和波形圖，確定其中最優(yōu)的方案。CAESES中對球艏曲面參數(shù)化變形示意如圖3，最優(yōu)方案與原型方案的自由液面波形對比和縱向波高對比分別如圖4、圖5所示。由圖5對比可以看出，在船身段的興波波幅均有所降低，尤其船艏波幅有明顯降低;興波阻力系數(shù)降低約3.76%。

由圖6、表2可知，優(yōu)化后球艏長度保持不變，但球艏橫剖面形狀發(fā)生較大變化，優(yōu)化后球艏上部加寬、下部收瘦，整體有所抬高和變寬，球艏的浮心上移。優(yōu)化后球艏更利于在高速工況下興波產(chǎn)生有利干擾。運(yùn)用STAR-CCM+軟件對優(yōu)化前后方案的阻力進(jìn)一步計(jì)算驗(yàn)證，結(jié)果顯示優(yōu)化后方案的總阻力降低約6.77%。

2.3艉封板高度及呆木的優(yōu)化

該船航速較高，而原型的艉封板浸沒較深，這會產(chǎn)生較大的粘壓阻力，同時(shí)較深的艉部浸深影響螺旋槳來流的順暢性，適當(dāng)抬高艉部利于降低阻力。另一方面受總體布置要求，艉部又有一定的高度限制。同時(shí)，隨著艉部的抬高，螺旋槳直徑可以加大，但受船寬的限制，雙槳工作可能會有互吸干擾作用，因此有必要對船艉分水踵呆木進(jìn)行改型。

在CAESES軟件中運(yùn)用DeltaCurve曲線對艉封板高度及艉部形狀進(jìn)行參數(shù)化控制，如圖7所示，艉封板高度變化范圍從4.5-5.3m，間隔0.1m，得到了9個(gè)方案。運(yùn)用CFD軟件STAR-CCM+對9個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，模型總阻力結(jié)果如圖8所示。

從圖8計(jì)算結(jié)果可知，隨著艉封板高度在一定范圍內(nèi)增加，船體總阻力呈下降趨勢，結(jié)合總體布置要求，選擇艉封板高度為5.3m時(shí)的方案為優(yōu)化方案。然后，結(jié)合螺旋槳的布置，對優(yōu)化方案的分水踵進(jìn)一步調(diào)整，艉部和分水踵優(yōu)化前后對比如圖9、圖10所示。

優(yōu)化后，船艉整體有所抬高，艉部橫剖面由方形變?yōu)闄E圓形，這主要為了減小粘壓阻力和提高推進(jìn)效率，讓艉流流動更順暢。分水踵縱剖面積增大，有效減小了雙槳在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的相互干擾。

運(yùn)用STAR-CCM+軟件對優(yōu)化前后船體總阻力進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，結(jié)果顯示，優(yōu)化后總阻力降低約3.93%。

2.4軸支架優(yōu)化

軸支架主要用于雙槳或多槳船，可以通過合理布置支架角度，使其與來流形成合適的攻角，從而改善螺旋槳的進(jìn)流，提高推進(jìn)效率。航速越高，效果越明顯閉。

本船為雙槳推進(jìn)，每一側(cè)軸支架又由一個(gè)I型支架（前部）和一個(gè)V型支架（后部）組成，如圖11所示。軸支架的橫截面采用NACA66mod翼型，具有良好的阻力性能和抗空化性能。通過改變軸支架的每個(gè)葉片繞其隨邊旋轉(zhuǎn)的夾角，得到不同的組合方案。然后運(yùn)用STAR-CCM+對每個(gè)方案進(jìn)行阻力計(jì)算。其中，定義軸支架導(dǎo)邊向船外側(cè)旋轉(zhuǎn)的夾角為正值，向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)的夾角為負(fù)值;相對軸支架旋角均為0°時(shí)（方案01）的總阻力增量百分比為阻力變化，則不同組合方案及阻力變化如表3所示。

根據(jù)表3可知，方案04、方案06、方案10是單個(gè)支架葉片的角度發(fā)生改變時(shí)阻力減小的方案，組合這些角度以獲得更優(yōu)的方案。其中，方案10的v型支架內(nèi)側(cè)葉片為6°，考慮到螺旋槳為內(nèi)旋，此時(shí)正角度的支架會誘導(dǎo)不利于推進(jìn)效率的伴流。因此，最終選擇方案12作為最優(yōu)方案，如圖12所示。優(yōu)化后的總阻力降低約2.24%，降阻超過方案04和06的之和，這說明方案12的角度組合產(chǎn)生了有利影響;同時(shí)螺旋槳槳盤面處平均伴流區(qū)有所增大，有利于提高船身效率，如圖13所示。

3阻力數(shù)值預(yù)報(bào)及船模試驗(yàn)

運(yùn)用STAR-CCM+軟件對原型和最終優(yōu)化線型進(jìn)行阻力計(jì)算，結(jié)果顯示優(yōu)化線型在設(shè)計(jì)航速下的總阻力降低約15.61%。對優(yōu)化線型的多個(gè)航速點(diǎn)進(jìn)行CFD阻力預(yù)報(bào)并和試驗(yàn)值比較，見表4，對比顯示數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果具有較高的精度。試驗(yàn)預(yù)報(bào)航速滿足預(yù)期要求航速，說明本文優(yōu)化思路的正確性和有效性。

4結(jié)語

對本文高速執(zhí)法船的設(shè)計(jì)與優(yōu)化要點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用數(shù)值模擬方法可以使線型設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作更高效，無論從定性分析或是定量評估均有實(shí)際的工程應(yīng)用意義。

（2）優(yōu)化球艏及船艏線型是降阻的有效途徑之一，借助CAE軟件對球艏從長、寬、高三個(gè)維度以及艏部進(jìn)流角度等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化，改善船艏興波干擾，從而達(dá)到降阻效果。

（3）艉封板高度和艉部線型對船舶運(yùn)動姿態(tài)有較大影響，通過優(yōu)化艉部線型可減小船后興波和改善船體表面壓力分布，從而達(dá)到降阻效果。

（4）優(yōu)化附體形狀達(dá)到降阻效果，例如通過優(yōu)化軸支架片體的角度，既可以起到降阻效果，也可以改善艉部流場。