集裝箱船線型優化研究

2012-05-07 07:42:50周志勇魏菲菲

船舶與海洋工程 2012年3期

陳康，周志勇，魏菲菲

（上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 引言

傳統的船體線型經驗設計方法周期較長，較強依賴于線型設計人員的經驗和母型船性能的優劣；引入CFD（計算流體動力學）技術并與傳統經驗設計方法相結合則能明顯提高設計效率、縮短研發周期，大大提高目標船的快速性能。

通過對相關科研課題的攻關研究[1,2]，已形成了相應的船舶快速性能優化和設計準則，在船舶CFD技術的實用性方面取得了進展，并基于CFD技術在船舶線型設計和研究中形成了快速響應能力。基于該設計準則和流程研發的多個船型基本都能夠一次模型試驗即滿足船舶快速性能指標，在與歐洲著名水池數據庫中類似船型的性能比較中均處于優秀船型的級別。

2010年，國內某船廠在獲得某型集裝箱船（以下簡稱“某船”）的批量建造訂單后委托國外某設計公司進行船體線型設計，后續的詳細設計則由國內完成。考慮到國外公司所提供線型的專屬性，上海船舶研究設計院（上船院）于2011年年初同步進行了該型船的線型開發，一可以充實船型數據庫，二則隨時滿足市場上其他單位或機構對該船型的需求。

1 船型主要特征

某船的方形系數BC 值約0.675，長寬比 /L B值約5.9，寬度吃水比 /B T值約3.2，設計航速對應的傅汝德數rF約0.254，屬中高速淺吃水船型。按照以往線型設計的經驗，較小的 /L B值、較大的BC 值和 /B T值不僅不利于阻力性能，而且使螺旋槳尾流工作面積小，導致推進效率較低[3]；該船航速要求較高以及船型系數特征使得船體線型設計上存在一定難度。

2 線型設計

2.1 線型研發流程

在某船的線型研發過程中，依據已有的線型設計準則和流程，首先在船型數據庫中依據目標船的船型系數如BC、/L B、/B T和設計航速等相關參數，選取合適的優秀母型船及船型系數相近的優秀船型若干型，在母型船基礎上結合新船的特點進行變換，并形成初步線型。然后依據設計經驗并參考相近優秀船型的線型特征對該船線型開展細致的改型。在改型的不同階段結合船型優化軟件和船舶 CFD軟件進行針對性的優化和數值計算以指導和判斷線型設計的方向。

2.2 母型選取

通過與船型數據庫中相應船型的比較、分析，將某型集裝箱船作為母型，按照新船主尺度的要求進行變換得到目標船的初始線型。母型船和目標船的一些主要船型參數比較如表1所示。

表1 母型船與目標船的部分參數比較

2.3 實施改型

較高的航速決定了該船的興波阻力將在總阻力中占較大比重。因此該船的線型設計重點之一在于如何有效地降低船體興波阻力成分。在初始線型基礎上，依據設計經驗對浮心位置、設計水線進流段形狀、球艏逐一調整；同時進行相應的數值計算及優化，比較各個方案的波形、興波阻力系數等要素并選取最佳方案，從而為改型提供方向。

在改型過程中進行的CFD優化計算通常分為全船的縱向排水體積分布的優化計算和針對船體局部的改型優化計算。這2種優化計算可以分別開展，也可以在一次優化計算中同時進行。

船體的縱向排水體積分布可以以橫剖面面積曲線（SAC）的形式表現，而通過拉氏變換（Lackenby變換）可以實現 SAC曲線形狀的變化，即通過拉氏變換來尋求與設計航速匹配的最佳縱向排水體積分布。某船的改型過程中也開展了基于拉氏變換的優化計算。優化計算前后的SAC比較如圖1所示，波形及不同橫向位置波高比較如圖2、3所示（圖3中Y為沿船寬方向至舯縱剖面的距離，L為船長，以下同）。結果表明優化后船體的興波阻力能夠降低約6.7%，針對縱向排水體積分布的優化計算取得了較好的效果。

圖1 優化前后SAC比較

圖2 優化前后波形比較（上方為優化方案）

船體局部的改型優化主要針對球艏、球艉等進行。由于具有高航速的特點，在改型過程中對球艏部分進行數值優化計算可以降低由于球艏導致的興波阻力成分，從而提高整船的阻力性能。如圖4所示，通過對船體球艏的高度、寬度施加Delta Shift變換實現對球艏的改型。在對每個改型開展數值計算之后則可通過比較獲得較佳的球艏形狀。圖 5、6為優化前后波形及不同橫向位置波高的比較。從圖中可以清楚看出球艏形狀優化之后波型有了明顯的改善，阻力性能隨之得以提高。

圖3 基于拉氏變換優化前后不同橫向位置處的波高比較

圖4 球艏Delta Shift變換

該船的艉部線型設計重點是在滿足機、槳、舵布置的前提下，協調船體阻力和推進效率以獲得最佳的船體快速性能。采用CFD技術計算得到的船體阻力分量值及艉部伴流場分布，則同樣可以作為艉部改型的指導。圖7即為某船在改型過程中原型DES0000與優化方案 DES0018艉部槳盤面處速度場計算結果的比較。對于該型高速淺吃水船型，在興波阻力有明顯改善的前提下，線型的改動若對艉部伴流場無明顯影響，則可認為改型的方向是正確的。

圖5 球艏優化前后的波形對比（上方為優化方案）

圖6 球艏優化前后不同橫向位置處的波高比較

圖7 原型與優化方案槳盤面處伴流云圖比較

在經過總體、輪機等相關專業的進一步校核及相應的局部線型修改之后，最終線型遞交給水池用于模型加工及船模試驗。

3 船模試驗結果比較

2種設計方案的部分特征橫剖線及橫剖面面積曲線對比如圖8、9所示，船模試驗均在國內水池進行。圖10、11所示庫存槳試驗結果[4]表明在設計吃水狀態下2種方案都能滿足航速指標，而對應設計航速點上船院方案的螺旋槳收到功率DP相對低3.6%，比預報的航速則高0.12kn；在低速段范圍內上船院的設計方案繼承了優秀母型船的特點，快速性能表現更為合理。