基于CFD的船體球艏線型水動(dòng)力性能優(yōu)化研究

王超　饒然　鄭銳聰

摘要[1]：基于iSIGHT優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合SHIPFLOW軟件，以最小興波阻力為目標(biāo)，構(gòu)建了一種基于阻力最優(yōu)的的球艏線型優(yōu)化方法。該方法集成了船型變換方法、阻力評(píng)估及優(yōu)化算法。通過對(duì)某內(nèi)河集裝箱船球鼻艏區(qū)域開展優(yōu)化，使興波阻力明顯下降，總阻力也隨之降低。研究表明，本文的方法適用性較強(qiáng)，對(duì)船型設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值，在基于CFD的船艏線型優(yōu)化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué);船型變換;水動(dòng)力性能;自動(dòng)優(yōu)化

中圖分類號(hào)： U661.43? ?????? 文獻(xiàn)標(biāo)示碼： A

Hydrodynamic Performance Optimization of Hull Bow Line Based on CFD

WANG Chao RAO RAN ZHENG Ruicong

（1. Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.，Jiangmen 529145， Ltd.; 2. Guangzhou Haigong Ship Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 511495）

Abstract：In this paper， based on iSIGHT multidisciplinary optimization platform and SHIPFLOW software， an optimization method of bow line based on optimal resistance is established to minimize wave-making resistance. The method integrates the bow transformation and automatic generation technology， resistance evaluation and optimization algorithm. The optimization of bulbous bow area at the bow of an inland river container ship is carried out. The results indicated that the wave-making resistance of hull line decreases obviously and the total resistance also decreases.It shows that the method developed in this paper has strong applicability， has certain practical value for hull form design， and has broad application prospect in bow line optimization based on CFD.

Key words：CFD; Hull transformation; Hydrodynamic performance; Automatic optimization

1 前言

隨著雙碳工作的推進(jìn)以及海事法規(guī)對(duì)于船舶碳排放控制日益嚴(yán)苛，節(jié)能船型的研究與發(fā)展越來越受到關(guān)注。而線型優(yōu)良的船舶，能更好地滿足規(guī)范關(guān)于能效指數(shù)EEDI的要求和社會(huì)對(duì)碳減排的訴求，因此阻力性能優(yōu)良的船體型線設(shè)計(jì)越來越得到重視。

球艏的減阻機(jī)理，主要為合理設(shè)計(jì)球艏參數(shù)，在一定航速范圍內(nèi)，使球艏興波波系和船體興波波系產(chǎn)生有利干擾，降低合成波波高，從而達(dá)到減阻增效的目的。

球艏設(shè)計(jì)通常需要考慮船舶的方形系數(shù)、尺度比系數(shù)、橫剖面的UV度及球鼻艏與主船體型線的配合情況等各種因素。球艏的設(shè)計(jì)優(yōu)化，通常為基于模型試驗(yàn)多方案優(yōu)選，成本高、周期長(zhǎng)，且難以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在船舶性能領(lǐng)域的快速發(fā)展，船型阻力的預(yù)報(bào)精度和計(jì)算效率大幅提升，已成為船舶航行性能評(píng)估分析的重要工具。目前船型水動(dòng)力性能優(yōu)化研究的關(guān)鍵，在于船型變換及自動(dòng)生成技術(shù)、快速而準(zhǔn)確的性能評(píng)估器、自動(dòng)優(yōu)化算法的使用等方面，國內(nèi)外已開展很多研究，如何開發(fā)基于CFD的阻力評(píng)估、線型自動(dòng)變換技術(shù)和自動(dòng)優(yōu)化算法融合，是當(dāng)前線型開發(fā)研究的一個(gè)重點(diǎn)。

iSIGHT是過程集成和優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)，通過將數(shù)字技術(shù)、推導(dǎo)技術(shù)和設(shè)計(jì)探索技術(shù)有效融合，把需要大量人工完成的工作由軟件自動(dòng)處理實(shí)現(xiàn)，在多學(xué)科優(yōu)化軟件中的市場(chǎng)占有率位居首位。將船體曲面的參數(shù)化修改模塊和基于CFD的阻力計(jì)算模塊在iSIGHT框架下進(jìn)行集成，通過以命令行參數(shù)方式執(zhí)行腳本命令，驅(qū)動(dòng)船體曲面的參數(shù)化修改模塊及阻力計(jì)算程序的自動(dòng)調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)過程集成。

本研究基于iSIGHT優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合 SHIPFLOW 軟件，構(gòu)建了一種基于阻力最小的船艏線型自動(dòng)優(yōu)化方法，該方法集成了船型融合變換及自動(dòng)生成技術(shù)、基于CFD船型阻力評(píng)估技術(shù)和混合優(yōu)化算法。通過對(duì)某內(nèi)河雙艉集裝箱船開展阻力評(píng)估和艏部線型優(yōu)化分析，優(yōu)化后線型相比原始線型興波阻力明顯下降，有效提升了原船的阻力性能，驗(yàn)證了本文方法的可行性，為基于CFD的球艏線型優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

2 船型參數(shù)化變換方法

進(jìn)行船艏線型的優(yōu)化研究，首先要選擇合適的方法修改船艏的幾何形狀，以通過較少的變量生成不同參數(shù)的船艏，并考慮船艏線型與主船體線型進(jìn)行光順連接。為此，本文開發(fā)了基于NURBS曲線的船型變換的融合算法。該算法建立現(xiàn)有母型船數(shù)據(jù)集合，通過調(diào)節(jié)不同母型船的融合系數(shù)即權(quán)重因子，產(chǎn)生系列組合變換的船型;在船型融合變換過程中，保證不同線型母型船的權(quán)重因子總和為1，即

式中：m為母型船參數(shù);P為船型變換所需要的控制點(diǎn)坐標(biāo);P_i為母型船原始線型的控制點(diǎn)坐標(biāo);C_i為權(quán)重因子。在融合變換過程中保證：

從上述船型融合變換的基本過程可知：通過調(diào)節(jié)不同母型船的權(quán)重因子融合變換后生成的新的船型，總是在以母型船為邊界所構(gòu)成的船型空間內(nèi);由于原始母型船的船型各不相同，經(jīng)融合變換后生成新的船體線型也必然是多樣的。

3 基于CFD的阻力數(shù)值計(jì)算

本研究采用SHIPFLOW軟件，進(jìn)行船型阻力性能的數(shù)值模擬。該軟件針對(duì)船舶阻力中的三類成分（興波阻力、摩擦阻力和粘壓阻力），將船體繞流場(chǎng)劃分為勢(shì)流區(qū)、薄邊界層區(qū)、粘性流區(qū)三個(gè)不同的區(qū)域，分別采用不同的理論模型進(jìn)行模塊化計(jì)算與分析，該種求解技術(shù)稱之為ZONAL法：

1. 勢(shì)流區(qū)

基于高階面元法的勢(shì)流理論，計(jì)算船體興波阻力，區(qū)域范圍涵蓋了整個(gè)船體及其自由液面。

1. 薄邊界層區(qū)

采用動(dòng)量積分方法得到前2/3 船體上的摩擦阻力。

1. 粘性區(qū)

采用RANS方程和湍流模型求解，區(qū)域范圍包括船體的后部以延伸到下游至整個(gè)的流體區(qū)域。

與傳統(tǒng)算法相比，通過采用分區(qū)分步求解的ZONAL法，保證計(jì)算精度，縮短計(jì)算周期，提高計(jì)算效率，最終得到船舶航行的總阻力。

對(duì)于給定的船速，粘性阻力和船舶濕表面積相關(guān)，因此船型改變不大時(shí)粘性阻力減小的可能性不太;相反，對(duì)于航速較高的船型，球艏的變化對(duì)于改變興波阻力非常敏感。SHIPFLOW中，興波阻力計(jì)算采用面網(wǎng)格（流場(chǎng)空間是否足夠），網(wǎng)格單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示：

4 優(yōu)化實(shí)現(xiàn)過程

4.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于本文研究船型，受制于船體濕表面積及排水量等約束因素， 粘性阻力改善空間不大。因此，本文以船舶興波阻力作為目標(biāo)函數(shù)，通過興波阻力的大幅減小，帶動(dòng)船體總阻力的改善。

4.2 優(yōu)化算法

本研究?jī)?yōu)化算法采用遺傳算法GA與序列二次規(guī)劃法NLPQL相結(jié)合的混合算法：首先采用遺傳算法進(jìn)行初始設(shè)計(jì)空間的探索，找到近似最優(yōu)解;在此基礎(chǔ)上，利用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行局部?jī)?yōu)化?；旌纤惴ǖ木唧w步驟，可參照文獻(xiàn)^[10];算法流程，如圖2所示：

4.3 自動(dòng)優(yōu)化流程

船艏線型的自動(dòng)優(yōu)化流程，如圖3所示

1. 基于船型變換的融合算法，通過調(diào)整不同權(quán)重因子，生成新的船體線型;
2. 自動(dòng)生成shipflow計(jì)算所需要的船型數(shù)據(jù)文件。首先進(jìn)行靜水力計(jì)算，并判斷是否滿足約束條件，若滿足則計(jì)算船體興波阻力;反之則返回第（1）步，繼續(xù)修改船型方案;
3. 以最小興波阻力為目標(biāo)，選擇混合優(yōu)化算法，進(jìn)行船艏范圍內(nèi)的船型優(yōu)化;
4. 若已達(dá)到遺傳次數(shù)收斂條件，以興波阻力最小為目標(biāo)，輸出優(yōu)化線型;否則修改變量返回第（1）步。

5 優(yōu)化實(shí)例

5.1 算例簡(jiǎn)述

以某內(nèi)河集裝箱船為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)航速為Fr=0.183下的船艏水動(dòng)力性能優(yōu)化。計(jì)算采用船模尺度及實(shí)船主要船型參數(shù)見表1，型線圖見圖4所示：

5.2 優(yōu)化結(jié)果

首先開展基于CFD船型阻力預(yù)報(bào)與驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果和基于水池試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。從計(jì)算結(jié)果來看，總阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，曲線趨勢(shì)一致，最大誤差為4.1%，說明數(shù)值計(jì)算方法具有較高的精度。

優(yōu)化過程采用文中的自動(dòng)優(yōu)化方法，優(yōu)化結(jié)果如表2所列;優(yōu)化前后船艏型線，如圖5所示：

從表2對(duì)比結(jié)果可以看出，優(yōu)化后船體興波阻力下降了9.8%，總阻力下降2.3%，達(dá)到了首部線型自動(dòng)優(yōu)化的目標(biāo)。

6 結(jié)語

本文基于 iSIGHT 優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合 SHIPFLOW 軟件，以最小興波阻力為目標(biāo)，構(gòu)建了一種基于CFD的船艏線型自動(dòng)優(yōu)化方法。通過對(duì)某內(nèi)河集裝箱的艏部區(qū)域優(yōu)化結(jié)果顯示，優(yōu)化后船舶的興波阻力及總阻力明顯下降，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

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