船體艏部水動力性能優化

徐 力 陳作鋼

上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200240

船體艏部水動力性能優化

徐 力 陳作鋼

上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200240

提出一種以勢流興波阻力理論Rankine源方法為基礎，結合SHIPFLOW軟件為計算工具，利用CADCFD集成平臺FRIENDSHIP－Framework軟件進行變形優化，研究船舶的最小興波阻力型線優化設計的方法，并考察了興波優化得到的船型總阻力變化情況。在型線優化過程中，以興波阻力系數為目標函數，排水量變化范圍為約束條件，在Wigley船體前端增加一個利用Feature建模技術參數化生成的球艏并調整艏部型線使得船體表面光順。選取球鼻艏形狀的各項參數作為基本設計變量，利用DOE方法對船艏進行優化，獲得了設計航速下興波阻力較小的船型，驗證了所提方法進行船艏型線優化的有效性。相應的考察變形及優化前后總阻力變化情況表明：在高傅汝德數情況下增加球艏所帶來的粘性阻力的增加小于興波阻力的減小量，總阻力得到了改善，優化后得到的球艏能在進一步減小興波的同時減小總阻力。此外，還運用所提方法對3100TEU船型的船艏，利用Delta Shift方法進行變形，在設計航速下，將變形的參數作為設計變量，利用DOE方法進行優化設計。結果顯示：在排水量限制范圍內當球鼻艏向上向前伸展一定長度時可以降低興波阻力。與此同時，由于優化前后船體濕表面積變化很小，粘性阻力的變化并不明顯，興波的減小則使得總阻力得到了改善。

Rankine源方法；興波阻力；艏部優化；總阻力

1 引言

船舶在水面航行時會產生興波，興波不僅會產生阻力、消耗能量，還會在波浪沖擊海岸或者其他船舶的時候在遠場產生消極的影響，所以應當在優化設計中盡量減小興波［1］。近年來，基于水動力學理論的數值模擬和性能預報逐步成為可能［2］，而在勢流框架下船舶的興波阻力數值計算問題現已統一在Rankine源法的基礎上［3］。本文將提出一種以勢流興波阻力理論Rankine源方法為基礎，運用SHIPFLOW和CAD－CFD集成平臺FRIENDSHIP－Framework［4］軟件，研究最小興波阻力船型優化設計的方法，并運用該方法分別對Wigley船型和3100TEU船型的船艏進行優化，考察基于興波的船型優化對總阻力的影響。

2 數值方法－區域劃分法

本研究采用CFD軟件SHIPFLOW進行數值計算模擬。該軟件采取的算法是將圍繞船體的流場劃分成3個區域，每個計算區域分別采用相應的計算方法，如圖1所示。

第1個區域范圍最廣，涵蓋了整個船體和環繞它的自由液面，應用Rankine源自由面勢流方法進行計算。第2個區域是船體前半體表面附近的薄邊界層，應用動量積分的邊界層方法進行計算。第3個區域包括船體的后部以延伸到船體下游半個船長的流體區域，應用k－ε模型封閉并求解RANS方程進行計算。RANS方程使用有限差分的方法，基于SIMPLER算法的壓力速度耦合，二階迎風格式進行計算。同在整個計算區域內求解RANS方程相比，采用區域劃分、分別計算的算法可以節省大量的計算時間［5］。計算可以得到3種類型的阻力成分，即興波阻力、摩擦阻力和粘壓阻力。其中，興波阻力通過對沿船體表面的勢流壓力進行積分得到。沿船體表面局部摩擦應力積分的結果就是摩擦阻力，前后半體的局部摩擦阻力分別通過邊界層方法和RANS方程中的壁面剪應力得到，由粘性影響得到的壓力積分可以得到粘壓阻力，總阻力即為上述3種阻力之和。

3 優化算例

3.1 Wigley 船型優化

3.1.1 Wigley 船型

選取的 Wigley船型方形系數 CB＝0.44，垂線間長 Lpp＝3.048 m，寬度與長度比值為 B／L ＝0.1，吃水與長度比值為H／L＝0.062 5，其基本船型由公式（1）［6］定義。

其設計航速狀態下Fr＝0.316，Re＝4 766 549。

3.1.2 Wigley 船型變形及優化

Wigley船型可用公式表達，是一種數學船型，沒有球鼻艏，為優化其興波阻力性能，采用FRIENDSHIP－Framework系統中的 Feature功能參數化［7］建立一個球鼻艏的模型，然后將Wigley船型艏部1/10的位置在保證光順的情況下用Feature定義的fillet代替，其中fillet指2個面之間的用光順曲面連接的銜接面，其建立的模型如圖2所示。圖中A部分為生成的球鼻艏曲面，B、C部分為fillet曲面，D、E部分為原Wigley船型中的部分曲面。B左右端上部頂點與球鼻艏右端頂部在同一水平線上，C頂部線段處于設計吃水的水平面位置并與原曲面重合。

建立的球鼻艏參數［8］如下：相對突出長度為5%，相對浸沉深度為40%，最大寬度比為30%，相對排水體積比為1.2%。

圖2 增加球鼻艏后的Wigley船型Fig.2 The Wigley hull model after the bulb added

3.1.3 優化前后結果對比

優化后的球艏形狀如圖3所示，該圖也顯示了船體表面的壓力分布云圖。變形及優化前后波形對比圖和波切對比圖如圖4、5所示。波形對比圖（圖4）中不同的顏色表示該位置處不同的興波情況，顏色越深表示波高值越大。波切圖（圖5）中FS表示船體中線面上的波高，－0.1000表示y／L＝0.1位置處自由面上的波高。由圖可見，在設計航速下，從原Wigley船型到增加球艏后船型到優化后得到的船型，船體艏部的波谷減小明顯，說明興波有明顯的減小。研究結果表明：增加球鼻艏后艏部波峰和波谷都有明顯減小，優化后船型的艏部波峰比增加球鼻艏的船型艏部波峰有所增加，波谷則減小得比波峰增加量明顯。說明球鼻艏對降低興波阻力的效果明顯，優化后的球鼻艏形狀則能更好地減小興波。

圖3 Wigley船型艏部優化后得到的形狀Fig.3 The bulb shape of the Wigley hull after optimization

圖4 Wigley船型增加球鼻艏前后，以及球鼻艏優化后的波形對比圖Fig.4 The comparison of the wave contour（a） the original Wigley hull，（b） the new Wigley hull which added the bulb，（c） the optimized Wigley hull

圖5 Wigley船型增加球鼻艏前后，以及球鼻艏優化后的波切對比圖Fig.5 Comparison of the wave cut among the Wigley hulls before and after the bulb added as well as the one got the bulb optimized

圖6 Wigley船型增加球鼻艏前后，以及球鼻艏優化后的興波阻力系數（Cw）和總阻力系數（Ct）對比圖（IIHR為原始Wigley船型的實驗數據，其余為仿真數據，其中Ori為原始Wigley船型，new為增加球鼻艏后，opt為球鼻艏優化后）Fig.6 The comparison of wave resistance （Cw） and total resistance （Ct） among the Wigley hulls before and after the bulb added as well as the one got the bulb optimized（IIHR for the experiment date，ori for the original Wigley hull， new for the Wigley hull added the bulb， opt for the one got the bulb optimized）

考察優化船型在不同Fr下的興波阻力和總阻力，Fr取值區間為［0.3，0.4］，圖 6 所示為優化前后不同Fr下興波阻力系數Cw和總阻力系數Ct對比圖。圖中IIHR的數據為Iowa Institute of Hydraulic Research的實驗結果［3］。 對比原 Wigley船型和IIHR實驗數據發現，計算得到的興波阻力系數與實驗數據非常接近，在高Fr下基本重合，計算得到的總阻力系數與實驗數據相比有一定誤差，但能夠反映總阻力的變化情況，能夠一定程度上預測總阻力的變化趨勢。對比增加球鼻艏以及優化前后興波阻力可見，增加球鼻艏對興波降阻明顯，該優化能進一步減小興波。在總阻力上，增加球鼻艏卻并不是一致地減小總阻力，而是在Fr較低的時候增加了總阻力，Fr較高時減小總阻力，這是因為增加的球鼻艏增加了濕表面積使得摩擦阻力增加，在低Fr時候摩擦阻力所占比例比較大導致總阻力不是降低而是有所增加，而在Fr較高時興波阻力所占比例逐漸增大，興波的減小則使得總阻力也能得到減小。對增加的球鼻艏進行優化后的船型總阻力卻能一致減小，減小量與興波阻力減小量相當，說明了優化方法的有效性。

3.2 3100TEU 球艏優化

3100TEU船型主尺度如表1所示：

圖7 3100TEU船型優化后得到的球艏形狀Fig.7 The bulb shape of 3100TEU after optimization

圖8 3100TEU船型Fr＝0.253時優化前后的波形對比Fig.8 Wave contour comparison at Fr＝0.253 between the 3100TEU hulls before and after optimization

圖9 3100TEU船型Fr＝0.253時優化前后的波切對比圖Fig.9 Wave cut comparison at Fr＝0.253 between the 3100TEU hulls before and after optimization

波切圖（圖9）中FS表示船體中線面上的波高，－0.1000 表示 y／L ＝0.1 位置處自由面上的波高。從圖中可以看到艏波峰減小很多，波谷變化不明顯，說明優化后的球鼻艏對波形有明顯的改善。

圖10和圖11分別是優化后得到的船型在Fr＝0.21 和 Fr＝0.27 時候與優化前的船型的波形對比圖，圖12和圖13分別是相應時候的波切對比圖。

由圖可見，優化后的船型在Fr＝0.21情況下船艏興波的波高有所減小但是波谷略微增大，在Fr＝0.27情況下船鼻艏興波的波高也有所減小，說明優化后的球鼻艏能減小興波阻力。

圖10 3100TEU船型Fr＝0.21時優化前后波形對比圖Fig.10 Wave contour comparison at Fr＝0.21 between the 3100TEU hulls before and after optimization

圖11 3100TEU船型Fr＝0.27時優化前后波形對比圖Fig.11 Wave contour comparison at Fr＝0.27 between the 3100TEU hulls before and after optimization

圖12 3100TEU船型Fr＝0.21時優化前后波切對比圖Fig.12 Wave cut comparison at Fr＝0.21 between the 3100TEU hulls before and after optimization

圖13 3100TEU船型Fr＝0.27時優化前后波切對比圖Fig.13 Wave cut comparison at Fr＝0.27 between the 3100TEU hulls before and after optimization

對比設計航速下優化船型在不同Fr下的興波阻力系數和總阻力系數，如圖14所示，可以看到阻力有一致明顯的減小，總阻力的減小量大致相當于興波的減小量。球鼻艏的變化對船體粘性阻力的影響很小，由于優化前后船體濕表面積變化很小，粘性阻力的變化并不明顯，興波的減小則使得總阻力得到了改善，減小了興波則直接減小了總阻力。在設計航速下興波阻力系數減小28.57%，但是由于興波在總阻力中所占比例較小，優化后得到的總阻力系數減小量為5.619%，可見球艏的優化也明顯減小了總阻力。

3100TEU船型球鼻艏優化形狀與Wigley船型優化結果的形狀相似，并與文獻［10］中優化得出的形狀一致，說明球鼻艏在向上和向前有一定的伸展時能有效地減小興波阻力。

圖14 3100TEU船型球鼻艏優化前后的興波阻力系數（Cw）和總阻力系數（Ct）對比圖（ori為原始3100TEU船型，opt為球鼻艏優化后）Fig.14 The comparison of wave resistance（Cw） and total resistance （Ct） between the 3100TEU hulls before and after the bulb optimited （ori for the original 3100TEU hull，opt for the 3100TEU hull after optimization）

4 結 論

本文采用SHIPFLOW的XPAN模塊，用Rankine源方法進行興波阻力計算，利用FRIENDSHIP－Framework對船型進行變形，以興波阻力為目標函數采用FRIENDSHIP－Framework的DOE（Design of Experiment）功能優化船體艏部形狀。首先采用Sobol方法進行全局搜索，在大范圍內搜索較低興波阻力的球鼻艏形狀，然后將得到的相對比較低的數個方案分別利用TSearch（Tangent Search Method）方法尋找興波阻力的局部最低點，并相應的考察變形及優化對總阻力的影響。Wigley船型優化的結果顯示，在一定限制范圍內船體球鼻艏向上向前伸展一定距離的時候，興波阻力能夠得到很好的改善，總阻力也得到一定程度的減小。3100TEU的結論也顯示球鼻艏在一定程度上的伸展會改善興波阻力，相應的總阻力也得到了減小。

船型優化后得到的船體艏部形狀與相關文獻中得到的優化結果的艏部形狀相似，證明了球鼻艏在一定程度上的伸展能夠有效減小興波阻力。

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Hydrodynamic Performance Optimization of Ship Hull’s Forebody

Xu LiChen Zuo－gang

School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China

Based on Rankine Source Method， the paper introduced SHIPFLOW as computing tool， and also combined FRIENDSHIP－Framework which used as integration platform of CAD－CFD to study the minimum wave resistance hull body design.And total resistance was tested.We chose Wigley hull as the study object and calculated the wave resistances under different Fr conditions.The results were in good agreement with the experiment data.During the optimization process， we chose a new Wigley hull with a bulbous bow generated by the Feature function of FRIENDSHIP－Framework as original hull type，wave resistance as the objective function， displacement as the constraint condition，parameters controlling the shape of the bulbous bow as the basic design variable，and took Design of Experiment（DOE）method as the optimization method.The numerical optimization result gave a low wave resistance ship hull at the design speed， which indicated that the method is effective.The result of total resistance shows that the new type of Wigley hull added a bulb has lower result than the original one，and the optimized type of Wigley hull gets the total resistance reduced further due to the reduction of the wave resistance.3100TEU was optimized by the same method at its design speed while Delta Shift method was applied to get the transformation.The results show that with the limitation of ship＇s displacement，the bulbous bow with a forward and upward extending would reduce the wave resistance.Meanwhile， the wetted surface which makes a great deal in the viscous resistance changes little，which means that the viscous resistance does not change significantly，thus the reduction of the wave resistance basically get the total resistance reduced.

Rankine Source Method；wave resistance； optimization of forebody； total resistance

U663.5

A

1673－3185（2012）02－37－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.007

2011-12-12

國家財政部重大專項（ZXZY019）

徐 力（1987－），男，碩士研究生。研究方向：計算流體力學。E-mail：strikexl＠126.com

陳作鋼（1967 － ） ，男，研究員，博士生導師。 研究方向：計算流體力學，風洞循環水槽。 E-mail：zgchen＠sjtu.edu.cn

陳作鋼。

［責任編輯：喻 菁］