基于數值方法的某高速執法船快速性綜合優化研究

張磊 段明昕 劉金剛 程宣愷

摘要：本文對某高速執法船的線型進行了基于參數化變形和數值模擬方法的快速性綜合優化研究，運用數值模擬計算分析了排水量分布、球艏和船艏、船艉及附體軸支架等部位的改型對船體阻力及伴流的影響。根據分析結果綜合優化了船體線型，并對優化后的線型進行數值模擬預報，并和模型試驗結果對比。結果表明：數值預報結果具有較高的精度，優化結果也滿足預期設計要求，驗證了數值方法的準確性和優化思路的正確性。

關鍵詞：快速性;線型優化;數值方法;船模試驗

0引言

執法船是維護海上安全，執行海上任務的一類艦船，通常應具備航速高、耐波性好、操縱靈活等特點。近年來，我國周邊島礁之爭日趨緊張，而現役的某些維權執法船在設計性能和設計標準方面已不太適應當前執法形勢的需求。因此，該類執法船的升級換代勢在必行。

目前，我國主要的維權執法艦船在快速性、機動性、對抗性能力、任務系統等方面與周邊一些國家的艦船還存在著差距。特別是快速性，25kn以上的艦船數量很少，在對抗穿插占位中處于明顯劣勢。

隨著CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學）技術的發展以及船舶行業節能減排設計要求的提高，CFD數值模擬方法在船舶性能研究領域發揮著越來越重要的作用，主要用于對大量優化方案的性能評估和分析。

本文以某高速執法船線型優化為例，基于CFD方法進行了快速性綜合優化研究。優化中既追求減小阻力，也兼顧提高推進效率。主要運用參數化線型變換軟件CAESES對船體排水量分布、球鼻艏及船艏形狀、艉封板高度及分流踵形式等進行方案變換，對軸支架角度進行多角度組合得到不同方案;然后運用CFD計算軟件SHIPFLOW和STAR-CCM+分析了不同優化方案的阻力性能及伴流分布;最后，通過水池模型試驗對最終優化方案進行了試驗驗證，達到了設計要求。

1船型及螺旋槳主要參數

本文所述高速執法船在該類船型中屬于噸位較大者，同時為了滿足當前執法需求，對航速、耐波性、機動對抗性等方面均有較高要求。設計航速的傅氏數為0.380，興波阻力在總阻力中占較大比例，因此球艏及艏部應該是優化重點之一;艉部由于總體布置需要，艉封板無法抬高到水線面;為了提高推進效率，螺旋槳采用內旋雙槳，且槳徑較大，因此需要設置分水踵來防止雙槳相互不利的干擾;每側軸支架均采用前“I”后“V”的形式，因此軸支架角度對阻力性能的影響不可忽視。在確定了主尺度后，在母型數據庫中選擇合適的母型，通過變換得到該船的原型，螺旋槳采用庫存槳。船體和螺旋槳的主要參數見表1。

2線型設計與優化

2.1排水量縱向分布優化

縱向浮心位置是決定船體性能的基本參數之一，排水量縱向合理分布可以有效改善船體興波阻力和粘壓阻力性能。

采用參數化線型變換軟件CAESES對初始線型的浮心位置、最寬橫剖面位置、最寬橫剖面位置起始角和終止角等進行優化，生成300個變換方案，并用CFD軟件SHIPFLOW中基于勢流理論的計算模塊評估各方案的阻力性能。綜合比較各方案的阻力系數值和波形圖，選取最優方案。優化后線型的浮心位置前移了約2.13%Lpp，興波阻力系數Cw降低約2.33%。

圖1和圖2分別為優化前后的自由面波形對比圖和波高對比圖。由圖可以看出自由面波形有所改善，波幅有所降低，尤其船身后半段有明顯降低。進一步用基于粘流理論的CFD軟件STAR-CCM+評估得知優化方案的總阻力降低約3.62%。這一方面由于艏部變胖，改善了原有的興波干擾;另一方面艉部變瘦，使艉部壓力分布更加合理，降低了粘壓阻力。

2.2球艏及船艏優化

該執法船設計航速下傅氏數約0.380，因此艏部興波阻力對快速性的影響較大。通過CAESES軟件和SHIPFLOW軟件（勢流計算模塊）的聯合使用，對球艏做參數化變形并進行性能評估，選取最優方案。此外，考慮到船艏興波較高，對船艏做進一步收瘦。

運用CAESES軟件中的surface delta shift功能對球艏部位的曲面進行參數化控制，在給定的參數變化范圍內，球艏從長度、寬度、高度等3個方向綜合變形，隨機得到300個變形方案。通過SHIPFLOW軟件計算每個方案的興波阻力，通過比較分析興波阻力值和波形圖，確定其中最優的方案。CAESES中對球艏曲面參數化變形示意如圖3，最優方案與原型方案的自由液面波形對比和縱向波高對比分別如圖4、圖5所示。由圖5對比可以看出，在船身段的興波波幅均有所降低，尤其船艏波幅有明顯降低;興波阻力系數降低約3.76%。

由圖6、表2可知，優化后球艏長度保持不變，但球艏橫剖面形狀發生較大變化，優化后球艏上部加寬、下部收瘦，整體有所抬高和變寬，球艏的浮心上移。優化后球艏更利于在高速工況下興波產生有利干擾。運用STAR-CCM+軟件對優化前后方案的阻力進一步計算驗證，結果顯示優化后方案的總阻力降低約6.77%。

2.3艉封板高度及呆木的優化

該船航速較高，而原型的艉封板浸沒較深，這會產生較大的粘壓阻力，同時較深的艉部浸深影響螺旋槳來流的順暢性，適當抬高艉部利于降低阻力。另一方面受總體布置要求，艉部又有一定的高度限制。同時，隨著艉部的抬高，螺旋槳直徑可以加大，但受船寬的限制，雙槳工作可能會有互吸干擾作用，因此有必要對船艉分水踵呆木進行改型。

在CAESES軟件中運用DeltaCurve曲線對艉封板高度及艉部形狀進行參數化控制，如圖7所示，艉封板高度變化范圍從4.5-5.3m，間隔0.1m，得到了9個方案。運用CFD軟件STAR-CCM+對9個方案進行計算，模型總阻力結果如圖8所示。

從圖8計算結果可知，隨著艉封板高度在一定范圍內增加，船體總阻力呈下降趨勢，結合總體布置要求，選擇艉封板高度為5.3m時的方案為優化方案。然后，結合螺旋槳的布置，對優化方案的分水踵進一步調整，艉部和分水踵優化前后對比如圖9、圖10所示。

優化后，船艉整體有所抬高，艉部橫剖面由方形變為橢圓形，這主要為了減小粘壓阻力和提高推進效率，讓艉流流動更順暢。分水踵縱剖面積增大，有效減小了雙槳在運轉時的相互干擾。

運用STAR-CCM+軟件對優化前后船體總阻力進行計算驗證，結果顯示，優化后總阻力降低約3.93%。

2.4軸支架優化

軸支架主要用于雙槳或多槳船，可以通過合理布置支架角度，使其與來流形成合適的攻角，從而改善螺旋槳的進流，提高推進效率。航速越高，效果越明顯閉。

本船為雙槳推進，每一側軸支架又由一個I型支架（前部）和一個V型支架（后部）組成，如圖11所示。軸支架的橫截面采用NACA66mod翼型，具有良好的阻力性能和抗空化性能。通過改變軸支架的每個葉片繞其隨邊旋轉的夾角，得到不同的組合方案。然后運用STAR-CCM+對每個方案進行阻力計算。其中，定義軸支架導邊向船外側旋轉的夾角為正值，向內側旋轉的夾角為負值;相對軸支架旋角均為0°時（方案01）的總阻力增量百分比為阻力變化，則不同組合方案及阻力變化如表3所示。

根據表3可知，方案04、方案06、方案10是單個支架葉片的角度發生改變時阻力減小的方案，組合這些角度以獲得更優的方案。其中，方案10的v型支架內側葉片為6°，考慮到螺旋槳為內旋，此時正角度的支架會誘導不利于推進效率的伴流。因此，最終選擇方案12作為最優方案，如圖12所示。優化后的總阻力降低約2.24%，降阻超過方案04和06的之和，這說明方案12的角度組合產生了有利影響;同時螺旋槳槳盤面處平均伴流區有所增大，有利于提高船身效率，如圖13所示。

3阻力數值預報及船模試驗

運用STAR-CCM+軟件對原型和最終優化線型進行阻力計算，結果顯示優化線型在設計航速下的總阻力降低約15.61%。對優化線型的多個航速點進行CFD阻力預報并和試驗值比較，見表4，對比顯示數值預報結果具有較高的精度。試驗預報航速滿足預期要求航速，說明本文優化思路的正確性和有效性。

4結語

對本文高速執法船的設計與優化要點總結如下：

（1）隨著CFD技術的發展，運用數值模擬方法可以使線型設計與優化工作更高效，無論從定性分析或是定量評估均有實際的工程應用意義。

（2）優化球艏及船艏線型是降阻的有效途徑之一，借助CAE軟件對球艏從長、寬、高三個維度以及艏部進流角度等方面進行綜合優化，改善船艏興波干擾，從而達到降阻效果。

（3）艉封板高度和艉部線型對船舶運動姿態有較大影響，通過優化艉部線型可減小船后興波和改善船體表面壓力分布，從而達到降阻效果。

（4）優化附體形狀達到降阻效果，例如通過優化軸支架片體的角度，既可以起到降阻效果，也可以改善艉部流場。