某高速槽道滑行艇船型優(yōu)化研究

戈亮 馮鴻漁

摘? ? 要：高速槽道雙體滑行艇是一種具備貫穿中間的槽道和兩個深V型片體的船型，槽道內(nèi)部的氣體層可以起到減阻作用，是一種水動力性能優(yōu)良的船型。針對該船的船型參數(shù)和槽道幾何參數(shù)對水動力性能的影響進行研究，并探索其優(yōu)化方法，為未來雙體滑行艇新船型的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。本文以某型槽道雙體滑行艇為研究對象，研究船型參數(shù)和槽道參數(shù)對阻力和航態(tài)的影響，并基于Savitsky經(jīng)驗公式和遺傳算法進行阻力優(yōu)化，同時采用CFD方法進行優(yōu)化效果驗證，得到水動力性能更優(yōu)越的槽道雙體船型。

關(guān)鍵詞：雙體槽道艇；船型優(yōu)化；計算流體力學；阻力性能

中圖分類號：U674.92 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Study on Optimization of High-Speed Tunnel Planning Catamaran

Ge Liang1，? Feng Hongyu2

（ 1. Naval Armament Department，? Beijing 100036;? ?2.Guangzhou Marine Engineering Corporation，? Guangzhou 510250 ）

Abstract： High-Speed tunnel planning catamaran consists of 2 deep V-shape bodies and a tunnel through the whole hull， and its hydrodynamic is excellent. The tunnels internal gas layer can reduce resistance. The influence of hull and tunnel parameters on hydrodynamic is studied， and explore optimization method in order to lay the foundation of nesw planning catamaran form development. The article takes the tunnel planning catamaran as object to study the influence of hull and tunnel parameters on resistance and sea-keeping performance， and optimizes its resistance based on Savitsky empirical formula and genetic algorithm. At the same time， the CFD method was used to verify the results.

Key words： tunnel planning catamaran;? hull optimization;? computational fluid mechanics;? resistance performance

1? ? ?前言

相對于單體滑行艇，高速槽道雙體滑行艇的槽道能令航行姿態(tài)更加穩(wěn)定，避免船舶高速航行途中出現(xiàn)海豚跳；相對于常規(guī)雙體船，滑行艇在航行時船體逐漸抬高，減少濕表面積以獲得更高的航速[1]。因此，高速槽道雙體滑行艇相對于常規(guī)船型，擁有更優(yōu)越的水動力性能。

蔣中沅[1]等構(gòu)造了參數(shù)化模型，研究槽道雙體滑行艇槽道寬度和斜升角對船體阻力性能的影響，最終得到了阻力優(yōu)化效果達17.3%的優(yōu)化模型；徐偉桐[2]等基于CFD方法研究雙體槽道滑行艇的阻力性能和迎浪規(guī)則波中的耐波性能；姬朋輝[3]基于CFD方法研究了V型槽道雙體船的水汽分布；鄒勁[4]等基于CFD對倒V型雙體槽道滑行艇在高航速下的阻力性能進行評估，與傳統(tǒng)的滑行艇相比其阻力增加較為緩慢，增加槽道的寬度在低速階段會增加船體的阻力。

整體來看，基于CFD方法對槽道滑行艇的槽道幾何參數(shù)對阻力性能的研究有了一定進展，但是對船型整體參數(shù)及槽道參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化的研究較少，考慮到為了更優(yōu)越的水動力性能，雙體槽道滑行艇未來將得到更多的開發(fā)和推廣，船型優(yōu)化則是新船型開發(fā)的重要方法。本文通過分別研究槽道雙體滑行艇整體幾何參數(shù)和槽道參數(shù)對阻力和航態(tài)的影響，并進行船型優(yōu)化，為槽道雙體滑行艇的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2? ? ?研究對象及設(shè)計參數(shù)

以某高速雙體滑行艇作為研究對象，其三視圖如圖1所示。該艇中間被一條槽道貫穿，左右兩側(cè)各有一個深V型的片體。

該艇的主要設(shè)計參數(shù)可以分成兩類：船型整體的設(shè)計參數(shù)；槽道的設(shè)計參數(shù)。本文分別從這兩類參數(shù)中，提取具有代表性的設(shè)計參數(shù)進行研究，如表1所示。

全船坐標系以基線和尾封板所在平面的交點作為基點，船長方向由船尾到船首為正，船寬方向以右舷為正，高度方向向上為正。

3? ? ?阻力性能優(yōu)化

3.1? ?遺傳算法概述

本文選擇遺傳算法作為模型的優(yōu)化算法。遺傳算法把群體中的所有個體作為研究對象，通過隨機指導(dǎo)的方法在參數(shù)空間內(nèi)進行高效搜索，其原理參考了自然界中強大個體的基因能夠更大幾率保留下來并通過雜交、遺傳、變異的方式產(chǎn)生更優(yōu)秀的個體，其優(yōu)點如下：

1）適合多個領(lǐng)域的快速搜索尋優(yōu)能力；

2）基于群體進行搜索，能夠多個個體同時比較，魯棒性高；

3）拓展性強，可以和其他算法聯(lián)合優(yōu)化。

遺傳算法的過程如下：

1）首先參考自然界中個體表現(xiàn)和基因編碼的特點，尋找一種將問題進行數(shù)字化編碼方案，常用的有二進制編碼法、和浮點編碼法；

2）通過初始過得到一個基本種群及所適配的數(shù)字化編碼；

3）對種群中的個體進行解碼，并根據(jù)解碼所得的結(jié)果，以適應(yīng)度為指標選取合適的適應(yīng)度航速，該指標越高說明函數(shù)的適配性越好；

4）進行選擇、交叉和變異，得到新的子代種群，并根據(jù)適應(yīng)度指標選擇表現(xiàn)好的個體，使其與父代種群中的個體進行對比替換，同時子代的個體之間也互相比較。

3.2? ?優(yōu)化模型構(gòu)建

本船的優(yōu)化目標為：實船航速VS=40 kn時總阻力Rt最小。優(yōu)化過程中的約束提條件為滿載排水量在初始船1%以內(nèi)變化，優(yōu)化模型為：

船體幾何形狀采用Maxsurf軟件進行變換，其中設(shè)計參數(shù)的變化范圍如表2所示。每個參數(shù)可以均勻取得11個點，同時改變最大船寬Bm和重心縱向位置XG，總共得到121個樣本。

3.3? ?優(yōu)化樣本生成

1）采用Maxsurf軟件中的Savitsky經(jīng)驗公式，進行水動力性能預(yù)報，得到總阻力和縱傾值的計算結(jié)果。其中：重心縱向位置在變化范圍內(nèi)均勻取11個點得到阻力性能預(yù)報，見表3所列。

縱傾值隨重心縱向位置變化的曲線，如圖2所示。

由表3和圖2可知，隨著重心縱向位置朝船首方向移動，船體受到的總阻力逐漸增大，縱傾值則逐漸減少。

2）總阻力隨最大船寬變化曲線圖，如圖3所示。

縱傾值隨最大船寬變化曲線圖，如圖4所示。

3.4? ?優(yōu)化結(jié)果

在優(yōu)化模型構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，基于遺傳算法對船體總阻力Rt進行尋優(yōu)，其中遺傳算法的參數(shù)設(shè)置如表4所示，最終得到如圖5所示的優(yōu)化結(jié)果。

由圖5可知，整個尋優(yōu)過程在大約第10代后開始收斂，最終得到的優(yōu)化模型最大寬度為Bm=0.372 9 m、重心的縱向位置為XG=0.451 948，此時對應(yīng)的最小阻力值為19.681 N。

將模型優(yōu)化結(jié)果換算為實船，則實船的船寬為3.356 m、重心的縱向位置為4.067 m。相對于母型船，優(yōu)化船型的重心縱向位置XG向船后移動，最大船寬Bm相對于母型船偏小。其中，重心縱向位置XG的變化大致符合圖2中的變化規(guī)律，最大船寬Bm的變化則和圖3中的變化規(guī)律相反，由此可見重心縱向位置XG和最大船寬Bm關(guān)于船體總阻力具有一定的耦合作用，且重心縱向位置的影響大于最大船寬的影響。

3.5? ?基于CFD的優(yōu)化結(jié)果驗證

為了驗證優(yōu)化結(jié)果，采取上述同樣的步驟，將經(jīng)驗公式得到的值替換為CFD計算滑行艇的阻力值。

采用基于粘流理論的CFD軟件STAR CCM+分別對以上船型進行設(shè)計航速為40 kn時的水動力性能的計算?？紤]到該船型在高速航行時浮態(tài)變化較大，計算采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，將整個計算域劃分為背景區(qū)域和重疊區(qū)域，整個背景區(qū)域的入口位于船前的2倍船長，出口位于船后4倍船長，頂部邊界面位于水面以上1.5倍船長，底部邊界面位于水面以下2倍船長，而重疊域的邊界設(shè)置為左側(cè)0.5倍船長、水面以上0.2倍船長及水面以下0.2倍船長，最后得到的網(wǎng)格如圖6所示。

將CFD計算得到的樣本用于滑行艇優(yōu)化模型中，得到優(yōu)化流程，最后得到的滑行艇模型船寬為Bm=0.335 m、重心縱向位置為XG=0.401 m，此時對應(yīng)的最小阻力值為12.396 N。換算為實船，則滑行艇的寬度為3.017 m、重心縱向位置為3.612 m，兩次優(yōu)化的最終結(jié)果相近，說明基于Savitsky經(jīng)驗公式優(yōu)化阻力有一定可靠性，但是計算精度上則有所差別。

4? ? ?槽道參數(shù)的影響研究

1）槽道是高速雙體滑行艇區(qū)別于常規(guī)滑行艇的顯著幾何特征，對阻力性能有顯著影響。圖7為有無槽道的兩艘滑行艇模型試驗的阻力結(jié)果，可以看出：

（1）當Fr▽<4.5時，槽道滑行艇的阻力高于無槽道滑行艇的阻力；

（2）當Fr▽≥4.5時，槽道滑行艇的阻力低于無槽道滑行艇的阻力。

這是由于槽道的進氣量和潤滑層的形成與航速相關(guān)，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)：Fr▽<4.0時，槽道內(nèi)會形成大量的水汽渦流和水花，特別是艇的縱傾值較大時阻力達到最大，造成低航速工況下艇的阻力大于無槽道的滑行艇；隨著Fr▽增大，艇的縱傾角和吃水都逐漸較少，槽道頂部水汽渦流區(qū)域逐漸減少并后移；當Fr▽>4.0時，槽道內(nèi)部的水和氣體分布完全通暢，摩擦阻力迅速較少，滑行的效率提高。

2）槽道寬度與最大船寬之比bc / Bm和槽道高度與最大船寬之比bc / Bm，是影響槽道形狀的兩個主要參數(shù)：

（1）圖8為兩條不同槽道寬度面積比ω/Sm的滑行艇在多個航速下的靜水阻力試驗結(jié)果，可以看出：在Fr▽< 4.5時，較窄的槽道具有較低的阻力性能；而Fr▽> 4.5時，較寬的槽道的阻力更低。因此在不同航速下，槽道寬度對阻力的影響不同，設(shè)計者需要根據(jù)實際航行環(huán)境和需求的航速來選擇槽道的寬度；

（2）通過CFD計算，得到不同槽道高度下高速雙體滑行艇的阻力結(jié)果和縱傾、升沉值，如圖9、圖10和圖11所示。

由以上結(jié)果可知：隨著槽道高度的增大，滑行艇的縱傾值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；滑行艇的阻力隨之增加；滑行艇升沉也隨之減少。

3）圖12～14給出了不同槽道高度的波形云圖、水汽分布圖和底部的壓力分布圖?？梢钥闯觯翰鄣栏叨容^低時，滑行艇兩側(cè)的噴濺現(xiàn)象比較嚴重；底部壓力變化更加陡峭，這是引起升沉過大的原因。

綜上所述，槽道寬度和槽道高度H都需要謹慎選擇：對于槽道寬度，需要根據(jù)具體的航行環(huán)境和航速需求來選擇，航速較低時選擇較窄的槽道，航速較高時選擇較寬的槽道；對于槽道高度，過小的槽道高度雖然對阻力和縱傾有利，但會引起較大的升沉；過大的槽道高度雖然對升沉有利，但阻力和縱傾偏大。

5? ? ?結(jié)論

本文首先基于Savitsky經(jīng)驗公式結(jié)合遺傳算法，對高速雙體滑行艇的阻力性能進行優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果采用CFD方法進行驗證分析，說明基于Savitsky經(jīng)驗公式用于高速雙體滑行艇阻力優(yōu)化在趨勢上的可靠性，可以得到以下結(jié)論：

1）采用Savitsky經(jīng)驗公式計算阻力，精度上有一定的局限性，可以用于雙體高速滑行艇的初步選型中；

2）在保持一定排水量的前提下，重心位置靠后、船寬較小的船的阻力較?。?/p>

3）槽道的寬度需要根據(jù)具體的航行環(huán)境和航速需求謹慎選擇；

4）槽道高度需要結(jié)合縱傾值、升沉和阻力性能綜合考慮，隨著槽道高度的增加，阻力和縱傾值也隨之增大，而升沉則會隨之減少。

參考文獻

[1] 蔣中沅，丁江明，李凌勛等. 高速槽道雙體艇船型設(shè)計與阻力性能評估[J/OL].中國艦船研究， 2023.

[2] 徐偉桐，蔣一等. 基于STAR-CCM+平臺的雙體槽道滑行艇水動力性能研究[J].中國造船， 2022， 63（02）.

[3] 姬朋輝.基于CFD的倒V型槽道滑行艇阻力性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學， 2016.

[4]鄒勁，韓曉坤，張元剛.倒V型槽道滑行艇船型的水動力性能研究[J].船舶， 2017， 28（6）.