某拖蝦船船型優(yōu)化設(shè)計(jì)

王鳳琴，魏 斌

(1.紫瑯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226002;2.江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214151)

0 引言

東海的桁桿拖蝦作業(yè)，開始于20世紀(jì)70年代末［1］，80年代隨著蝦類資源調(diào)查的開展，開發(fā)了外海新的蝦類資源和漁場，拖蝦作業(yè)得到迅速發(fā)展，已成為海洋捕撈業(yè)中規(guī)模較大，產(chǎn)量較高的一大作業(yè)。但是漁業(yè)是一個(gè)高耗能、高風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)業(yè)，燃油成本占整個(gè)捕撈成本近70%。近年來，隨著柴油價(jià)格不斷上漲，拖蝦作業(yè)整體效益正逐年下降。為了應(yīng)對油價(jià)持續(xù)上漲，一方面，漁民延長海上作業(yè)時(shí)間，減少回港次數(shù)，節(jié)約燃油成本;另一方面，多年來國內(nèi)高校及科研機(jī)構(gòu)一直致力于節(jié)能船型的研究［2～6］。開展拖蝦漁船型優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，可以促進(jìn)漁業(yè)船舶環(huán)保、節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，提高拖蝦漁船的經(jīng)濟(jì)性能，加快漁業(yè)船舶標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

1 主要量度及母船型線改造

1.1 主要量度

1.2 母船型線改造

橫剖面面積曲線改造是運(yùn)用母型船改造法生成設(shè)計(jì)船型線的基礎(chǔ)，其結(jié)果直接影響設(shè)計(jì)船的阻力性能、航行性能和營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性［7］。修改橫剖面面積曲線的基本原理為將各站橫剖面面積通過沿縱向移動(dòng)一個(gè)距離來實(shí)現(xiàn)修改面積曲線特征值。

本文根據(jù)母型船的橫剖面曲線，應(yīng)用“1－Cp”法將橫剖面面積曲線分為前后半體，分別對其進(jìn)行修改。方法為:將半體面積曲線及修改參數(shù)無因次化，僅改變棱形系數(shù)Cp，保留原有曲線基本形狀條件下修改得到新的橫剖面面積曲線。

設(shè)修改函數(shù)為:

該函數(shù)的邊界條件為:x=1.0時(shí)，δx=0。由約束條件:

得:a=δCPF/(1－CPF)，代入式(1)得:

對于后半體，同理可得修改量δx的表達(dá)式:

對于初始的面積曲線，通過近似積分計(jì)算得到CPA和CPF，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式:

根據(jù)新船的XB、Cp估算出新船的CPF和CPA，從而求得 δCPF和 δCPA。

以上各公式中字母所表達(dá)的含義如下:

δx為各站橫剖面面積通過沿縱向(X)移動(dòng)的距離;CP為棱形系數(shù);CPF為前半體棱形系數(shù);δCPF為CPF的修改量;CPA為后半體棱形系數(shù);δCPA為 CPA的修改量;xB為母船浮心縱向位置;XB為新船浮心縱向位置;a為數(shù)值;x為橫剖面在縱向位置。

利用母型改造方法設(shè)計(jì)型線，若橫剖面形狀和中剖面系數(shù)不做修改，那么橫剖面面積曲線修改后，可以利用插值的方法生成型線。在修改后的橫剖面面積曲線圖上，量取各站處新船與母型船橫剖面面積百分?jǐn)?shù)相同的距離δxi，然后在母型船的水線圖上距對應(yīng)站 δxi處量取各水線半寬 yij，再乘上 B/B0(型寬線性改造的比例值)，最后得到新船各站半寬型值。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

經(jīng)線型優(yōu)化后的4種船型通過FLUENT前處理軟件GAMBIT建立三維數(shù)值模型。由于船的左右對稱性，取1/2流場進(jìn)行計(jì)算，取右手坐標(biāo)系O-XYZ，坐標(biāo)原點(diǎn)O位于艉柱基線高度，X軸指向船首為正，Z軸垂直向上為正。整個(gè)計(jì)算域呈1/4圓柱，入口邊界選取在離船前1個(gè)船長處，出口邊界取在距船尾2倍船長處，船側(cè)和深度半徑取1個(gè)船長，對稱面上設(shè)為對稱邊界。考慮自由液面的影響，設(shè)空氣層的高度為2倍水線面高度，在自由面追蹤上采用流體體積(VOF)方法，流場計(jì)算方法采用SAMPLE算法，時(shí)間方向上采用一階格式隱式求解，空間方向上采用二階迎風(fēng)格式計(jì)算模型。

計(jì)算域的網(wǎng)格劃分過程中，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)在120萬左右，采用了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了較準(zhǔn)確地捕捉船體附近流場特性，在靠近船體區(qū)域設(shè)置較密網(wǎng)格，然后成一定膨脹系數(shù)向外布置。該方式使網(wǎng)格數(shù)目大幅消減，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。

4種不同橫剖面面積曲線的新船型在設(shè)計(jì)航速相同情況下實(shí)船的有效功率數(shù)據(jù)見表1，其中Fn為船舶傅汝德數(shù)，PE為有效功率。母船在設(shè)計(jì)航速時(shí)有效功率為190.16 kW。

表1 實(shí)船有效功率

從4種新船船型數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以得出，新船型繼承了母船型良好的阻力特性，其中新船Ⅲ優(yōu)化效果顯著，有效功率降低達(dá)2.84%，其型線圖如圖1所示。

圖1 拖蝦船線型圖

3 討論

母船改造法是傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)方法。它具有使新船型繼承母型的一些優(yōu)秀特征，并且方法簡單和實(shí)用的特點(diǎn)，在船舶型線改造設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。母船改造法要求已知母型型線的詳細(xì)描述，由設(shè)計(jì)者指定設(shè)計(jì)船型的前、后體的棱形系數(shù);同時(shí)它假定母型和子型的中橫剖面系數(shù)相同，通過改變母型的平行中體長度和進(jìn)、去流段的棱形系數(shù)來得到具有設(shè)計(jì)要求的方形系數(shù)或棱形系數(shù)的新船型。

型線設(shè)計(jì)要考慮船舶良好的航海性、總布置要求、船體結(jié)構(gòu)合理和公益性、外觀造型，此外還應(yīng)該滿足型線設(shè)計(jì)精度的基本要求。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件條件的不斷改善，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的引入，使以往傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)、性能計(jì)算得到改進(jìn)，進(jìn)入一個(gè)科技含量更高的解析時(shí)代。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)在船舶工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，設(shè)計(jì)人員可以在較短的時(shí)間內(nèi)，利用CFD技術(shù)，精確地對船舶繞流場進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)，分析船體的水動(dòng)力性能。目前雖數(shù)值模擬不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)模型試驗(yàn)，但是通過計(jì)算典型工況，分析優(yōu)化確定較優(yōu)的船型，可避免模型試驗(yàn)的盲目性，縮短了試驗(yàn)周期，節(jié)約了成本。本文利用母船改造法與數(shù)值模擬相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路，對4種不同船型性能曲線進(jìn)行仿真模擬，從中選出滿足給定性能指標(biāo)的最優(yōu)船型。圖2、圖3可以直觀的體現(xiàn)船體水動(dòng)力諸多特性。

圖2 壓力云圖

圖3 自由液面

母船改造法型值人工生成插值生成型線的方法，工作量大，效率低。如何使用計(jì)算機(jī)通過人機(jī)交互的形式，實(shí)現(xiàn)船體型線的設(shè)計(jì)生成，使現(xiàn)代化高效率的程序在船舶設(shè)計(jì)中更加廣泛有效的得到應(yīng)用，是今后船型優(yōu)化研究工作的目標(biāo)。開發(fā)自動(dòng)生成的計(jì)算程序，通過電子計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算，使之能在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下得到實(shí)用、光順而且優(yōu)美的船體型線，可以減輕設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短造船周期。

4 結(jié)語

母船改造法生成型線，主要改造內(nèi)容有主尺度變換、橫剖型線和水線形狀的改造、橫剖面面積曲線的改造、設(shè)計(jì)水線以上的型線、靜水力計(jì)算等。由于受諸多參數(shù)影響，存在不確定性，本文僅通過改造橫剖面面積曲線得到優(yōu)化船型。理想的船型最優(yōu)設(shè)計(jì)需要仿真計(jì)算與最優(yōu)化理論和方法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，組成多個(gè)典型計(jì)算工況，自動(dòng)循環(huán)搜索最優(yōu)船型的數(shù)值，經(jīng)過分析優(yōu)化選取確定最優(yōu)船型，船模型試驗(yàn)給予進(jìn)一步的驗(yàn)證。

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