加權(quán)融合方法在船型開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

蘇 甲，孫文愈，鄭安燃，徐 偉

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

0 引 言

船體型線設(shè)計(jì)一直以來(lái)是船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中最關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)船舶的能效和排放水平影響很大。特別是近年來(lái)，隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶的能效水平提出一系列強(qiáng)制指標(biāo)要求，船舶的能效和排放水平對(duì)船舶設(shè)計(jì)的影響將會(huì)越來(lái)越大，船體型線設(shè)計(jì)在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中扮演了越來(lái)越重要的角色。

型線設(shè)計(jì)最初的設(shè)計(jì)手段為傳統(tǒng)的母型改型法和系列圖譜法。隨著優(yōu)化方法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法的發(fā)展，把型線設(shè)計(jì)優(yōu)化和數(shù)值計(jì)算評(píng)估相結(jié)合，從而迅速獲得優(yōu)秀船型方案成為主流[1-3]。

與此同時(shí)，先進(jìn)的船型變換技術(shù)被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于船型開(kāi)發(fā)中，除了傳統(tǒng)的Lackenby變換外，自由變形方法[4-6]徑向基函數(shù)法[7-8]等新形變換方法也在各種船型的變換與優(yōu)化中發(fā)揮了十分有效的作用。另外，通過(guò)將船體外形進(jìn)行半?yún)?shù)化與全參數(shù)化，通過(guò)變化參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)線型的參數(shù)化優(yōu)化方法，也在設(shè)計(jì)過(guò)程中廣泛應(yīng)用[9-11]。

這些優(yōu)化方法主要是基于某一母型船型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)法兼顧多型優(yōu)秀船型的一些優(yōu)秀特征進(jìn)行船型設(shè)計(jì)。在多船型特征融合方面，馮佰威等[12]曾通過(guò)將不同球鼻首進(jìn)行加權(quán)融合，開(kāi)展了優(yōu)化興波阻力性能的研究工作。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心近期研發(fā)了全局或局部區(qū)域融合的設(shè)計(jì)方法，該方法在具有多艘母型船的條件下，可以綜合多個(gè)母型的優(yōu)秀線型特征，從而快速得到性能優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。本文基于該方法開(kāi)展了一肥大船型的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

1 船型設(shè)計(jì)的加權(quán)融合方法

船型融合設(shè)計(jì)方法是基于多種船型的信息特征，將已有船型按照不同的權(quán)重進(jìn)行組合的一種方法。該方法首先將船型幾何信息按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云矩陣Sj(j=1,2,···,n)，類似shipflow使用的OFFSET文件形式，然后用一定的算法將點(diǎn)云矩陣進(jìn)行融合。加權(quán)融合是最簡(jiǎn)單的融合算法，以Sj(j=1,2,···,n)為融合所需的n個(gè)優(yōu)秀基礎(chǔ)船型的點(diǎn)云矩陣，wij(i=1,2,···,m,j=1,2,···,n)為權(quán)重矩陣，m為融合所生成的船型數(shù)量，以Ti表示生成的目標(biāo)船型，則融合過(guò)程可以表示為：

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，將主尺度一樣的2個(gè)母型船按照不同的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行融合，可以得到一系列不同的船型。若以20%為一權(quán)重系數(shù)差量，可以得到4型不同線型，其某一橫剖面的融合效果見(jiàn)圖1。圖中左右2條粗線分別為2個(gè)母型線型的橫剖線，中間4條橫剖線分別為融合得到的4條橫剖線?；诖腿诤戏椒ǖ玫降木€型，可以保留不同母型線型的優(yōu)秀特征，從而可能得到更加優(yōu)秀的融合船型。船型融合還有另一個(gè)用途，就是在專家經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為某一變化趨勢(shì)有利，但是并不能確切地掌握變化程度時(shí)，可以先變化出一個(gè)趨勢(shì)較大的線型，再利用原有線型和變化線型進(jìn)行加權(quán)融合，從而得到一系列變化較為均勻的系列線型，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算評(píng)估，從而得到想要的效果最佳的線型方案。本文將采用加權(quán)融合方法利用2個(gè)母型線型進(jìn)行船型開(kāi)發(fā)，以闡述該方法的應(yīng)用過(guò)程，研究該方法的一些應(yīng)用特點(diǎn)。

圖1 四型線型融合效果圖Fig.1 The effect of 4 merged lines

2 應(yīng)用案例

2.1 數(shù)值評(píng)估方法簡(jiǎn)介

本文對(duì)于變換的線型采用了一種快速求解方法來(lái)評(píng)估快速性能。該方法首先采用勢(shì)流興波數(shù)值預(yù)報(bào)方法[13-16]計(jì)算船體的興波阻力和波形，再利用粘流數(shù)值方法獲得船體周圍和船尾的流場(chǎng)。粘流數(shù)值求解時(shí)使用顯式代數(shù)應(yīng)力模型（EASM）；控制方程使用有限體積法離散，其中對(duì)流項(xiàng)使用ROE差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式；離散得到的差分方程組具有耦合性，使用ADI方法求解線性方程組[17]。

2.2 兩優(yōu)秀線型融合

采用基于加權(quán)融合方法的船型融合方法，對(duì)兩型具有不同特征的線型進(jìn)行融合。本案例采用的2個(gè)母型船的各站橫剖面對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 兩母型線型對(duì)比Fig.2 The comparison of the 2 prototypes

對(duì)兩線型進(jìn)行加權(quán)融合。以20%為一權(quán)重系數(shù)差量，得到4型不同的融合線型（M001～M004），各線型的主要橫剖面對(duì)比見(jiàn)圖3，融合權(quán)重及主要尺度參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥吹剑诤暇€型的方形系數(shù)Cb和浮心縱向位置Lcb均分布在兩母型之間。從圖4的分布來(lái)看，浮心縱向位置總體呈線型，與權(quán)重匹配較好，方形系數(shù)雖然與權(quán)重系數(shù)相對(duì)單調(diào)，但是線性關(guān)系不強(qiáng)。

圖3 兩母型和融合線型的對(duì)比Fig.3 The comparison of the merged lines and 2 prototypes

表1 不同船型融合權(quán)重及無(wú)量綱主尺度對(duì)比Tab.1 Comparison of fusion weights and dimensionless principal dimensions of different ship types

圖4 融合線型Cb和Lcb分布圖Fig.4 TheCb andLcb distribution of merged lines

對(duì)各線型開(kāi)展模型尺度的快速性能數(shù)值模擬，得到的總阻力系數(shù)Ct和推進(jìn)效率ηd分別見(jiàn)表2和圖5。結(jié)果顯示，對(duì)于兩母型船，線型A的總阻力系數(shù)比線型B低，線型B的推進(jìn)效率比線型A高。

表2 線型數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of linear numerical simulation results

圖5 各線型數(shù)值模擬得到的阻力系數(shù)和收到功率對(duì)比Fig.5 The resistance coefficient and delivered power comparison of different lines by CFD

從經(jīng)驗(yàn)常理上看，融合線型的性能可能與線型權(quán)重的插值基本相一致。但從數(shù)值結(jié)果看，并不完全符合。對(duì)于融合線型，M001和M002這2個(gè)融合線型的總阻力系數(shù)均比原型低，而M003和M004的阻力系數(shù)也比兩母型船阻力系數(shù)的線性插值低。在推進(jìn)效率方面，4個(gè)融合線型的總趨勢(shì)是線型B的權(quán)重越高，推進(jìn)效率越高。但是有2個(gè)例外，M001的推進(jìn)效率比線型A低；M002的推進(jìn)效率比M003高，且是融合線型里唯一推進(jìn)效率高于線性插值的線型。

圖6是兩母型船舷側(cè)波形對(duì)比，可以看到線型A的前體和中體前后的舷側(cè)波形更低，雖然船尾興波稍大，但是總體舷側(cè)波形比線型B更優(yōu)。這與線型A的阻力系數(shù)更低是一致的。另外，線型A和線型B在船中附近同一位置的舷側(cè)波形相位接近相反，即波峰波谷位置相互錯(cuò)開(kāi)，這就給融合線型的船中附近波形互相抵消提供了可能。圖7為兩線型以及各融合線型的舷側(cè)波形對(duì)比。首先可以看到，各融合線型的舷側(cè)波形均位于兩母型船之間。另外，M001線型船中的舷側(cè)波形表現(xiàn)出了類似兩母型波形相位互相抵消的趨勢(shì)（見(jiàn)圖8），比兩母型船均有改善，因而阻力系數(shù)比兩母型均有降低，是各船型中最低的。因此，可見(jiàn)加權(quán)融合方法可以從舷側(cè)波形相位相反的兩母型船中得到波形互相抵消的優(yōu)秀融合線型。

圖6 兩母型船舷側(cè)波形對(duì)比Fig.6 The wave pattern comparison of 2 prototypes

圖7 各線型舷側(cè)波形對(duì)比Fig.7 The wave pattern comparison of 2 prototypes and merged lines

圖8 兩母型船及M001船中附近舷側(cè)波形放大對(duì)比圖Fig.8 The detailed wave pattern comparison of 2 prototypes and M001

圖9為各線型槳盤面縱向伴流云圖和橫向伴流矢量投影圖的對(duì)比?？梢钥吹?，隨著線型權(quán)重的變化，伴流總體呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。隨著線型A權(quán)重逐漸降低，槳軸正上方的伴流峰越來(lái)越小，如圖10所示。伴流場(chǎng)的周向分布越來(lái)越均勻，有利于推進(jìn)效率的提高。另一方面，隨著線型A權(quán)重逐漸降低，在槳軸斜上方的舭渦逐漸增強(qiáng)，從M003到線型B，舭渦已經(jīng)非常明顯，且舭渦中心逐漸向槳軸上方、外半徑移動(dòng)，可能會(huì)對(duì)最終的螺旋槳設(shè)計(jì)造成影響。綜合來(lái)看，M002的伴流，其將盤面上方的伴流峰值有一定的降低。同時(shí)，其舭渦并未充分發(fā)展和上移，繼承了兩母型船伴流場(chǎng)各自的優(yōu)點(diǎn)。因此，加權(quán)融合方法可以繼承母型優(yōu)秀伴流特征的線型。

圖9 各線型槳盤面縱向伴流云圖及橫向伴流矢量投影圖Fig.9 The wake comparison of the merged lines and 2 prototypes

圖10 1.0倍半徑處縱向伴流的周向分布對(duì)比（180°為槳軸正下方）Fig.10 The comparison of longitudinal wake distribution along the circumference of 1.0R

最終對(duì)各船型的快速性優(yōu)劣判斷以船型的收到功率為準(zhǔn)，在本文中可以以無(wú)量綱化的物理關(guān)系Ct/ηd*Carea來(lái)作為對(duì)比的物理量，不同線型的該無(wú)量綱物理量相對(duì)大小見(jiàn)圖11（以線型A的值為100%）。最終收到功率最小的線型為融合方案M002，相比兩母型性能提升了1%以上。該線型總阻力系數(shù)比兩母型都低，同時(shí)，該線型的推進(jìn)效率比M001和M003都高，是融合線型里唯一推進(jìn)效率高于線性插值的線型。其自由面波形只比M001稍差，與線型A相當(dāng)。其槳盤面伴流峰值比線形A低，同時(shí)，也沒(méi)有較為明顯地舭渦。

圖11 各線型收到功率相對(duì)大小Fig.11 The relative comparison about the delivered power of different lines

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于加權(quán)融合方法對(duì)某肥大型船開(kāi)展了船型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)得到的新船型相比兩母型船性能都要優(yōu)秀。通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬得到的融合船型與母型船的快速性能及流場(chǎng)關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1）通過(guò)加權(quán)融合得到的各船型快速性能并不簡(jiǎn)單地與兩母型船權(quán)重的線性插值相一致，可能會(huì)更好，也可能更差，這就是加權(quán)融合方法有價(jià)值的一方面，可能找到更佳的船型。

2）通過(guò)加權(quán)融合可以得到興波更加優(yōu)秀的融合船型，特別是兩母型船的船中附近興波相位相反時(shí)。

3）加權(quán)融合方法得到的融合線型，其伴流形態(tài)可能可以繼承各母型的優(yōu)秀伴流特征。

4）最終得到的優(yōu)秀線型，綜合收到功率相對(duì)大小比兩母型船均優(yōu)秀。

本文僅從線型開(kāi)發(fā)的角度研究了加權(quán)融合方法得到船型的快速性能、流場(chǎng)與母型船的一些關(guān)系。該方法可以突破2個(gè)或多個(gè)母型船的性能極限，在自動(dòng)化、智能優(yōu)船型開(kāi)發(fā)中，與其他優(yōu)化方法結(jié)合，具有較好的應(yīng)用前景。