基于CFD的船體球艏線型水動力性能優化研究

王超　饒然　鄭銳聰

摘要[1]：基于iSIGHT優化設計平臺，結合SHIPFLOW軟件，以最小興波阻力為目標，構建了一種基于阻力最優的的球艏線型優化方法。該方法集成了船型變換方法、阻力評估及優化算法。通過對某內河集裝箱船球鼻艏區域開展優化，使興波阻力明顯下降，總阻力也隨之降低。研究表明，本文的方法適用性較強，對船型設計具有一定的實用價值，在基于CFD的船艏線型優化方面具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：計算流體動力學;船型變換;水動力性能;自動優化

中圖分類號： U661.43? ?????? 文獻標示碼： A

Hydrodynamic Performance Optimization of Hull Bow Line Based on CFD

WANG Chao RAO RAN ZHENG Ruicong

（1. Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.，Jiangmen 529145， Ltd.; 2. Guangzhou Haigong Ship Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 511495）

Abstract：In this paper， based on iSIGHT multidisciplinary optimization platform and SHIPFLOW software， an optimization method of bow line based on optimal resistance is established to minimize wave-making resistance. The method integrates the bow transformation and automatic generation technology， resistance evaluation and optimization algorithm. The optimization of bulbous bow area at the bow of an inland river container ship is carried out. The results indicated that the wave-making resistance of hull line decreases obviously and the total resistance also decreases.It shows that the method developed in this paper has strong applicability， has certain practical value for hull form design， and has broad application prospect in bow line optimization based on CFD.

Key words：CFD; Hull transformation; Hydrodynamic performance; Automatic optimization

1 前言

隨著雙碳工作的推進以及海事法規對于船舶碳排放控制日益嚴苛，節能船型的研究與發展越來越受到關注。而線型優良的船舶，能更好地滿足規范關于能效指數EEDI的要求和社會對碳減排的訴求，因此阻力性能優良的船體型線設計越來越得到重視。

球艏的減阻機理，主要為合理設計球艏參數，在一定航速范圍內，使球艏興波波系和船體興波波系產生有利干擾，降低合成波波高，從而達到減阻增效的目的。

球艏設計通常需要考慮船舶的方形系數、尺度比系數、橫剖面的UV度及球鼻艏與主船體型線的配合情況等各種因素。球艏的設計優化，通常為基于模型試驗多方案優選，成本高、周期長，且難以獲得最優設計方案。

隨著計算流體力學（CFD）在船舶性能領域的快速發展，船型阻力的預報精度和計算效率大幅提升，已成為船舶航行性能評估分析的重要工具。目前船型水動力性能優化研究的關鍵，在于船型變換及自動生成技術、快速而準確的性能評估器、自動優化算法的使用等方面，國內外已開展很多研究，如何開發基于CFD的阻力評估、線型自動變換技術和自動優化算法融合，是當前線型開發研究的一個重點。

iSIGHT是過程集成和優化設計的軟件平臺，通過將數字技術、推導技術和設計探索技術有效融合，把需要大量人工完成的工作由軟件自動處理實現，在多學科優化軟件中的市場占有率位居首位。將船體曲面的參數化修改模塊和基于CFD的阻力計算模塊在iSIGHT框架下進行集成，通過以命令行參數方式執行腳本命令，驅動船體曲面的參數化修改模塊及阻力計算程序的自動調用，從而實現過程集成。

本研究基于iSIGHT優化設計平臺，結合 SHIPFLOW 軟件，構建了一種基于阻力最小的船艏線型自動優化方法，該方法集成了船型融合變換及自動生成技術、基于CFD船型阻力評估技術和混合優化算法。通過對某內河雙艉集裝箱船開展阻力評估和艏部線型優化分析，優化后線型相比原始線型興波阻力明顯下降，有效提升了原船的阻力性能，驗證了本文方法的可行性，為基于CFD的球艏線型優化提供技術支撐。

2 船型參數化變換方法

進行船艏線型的優化研究，首先要選擇合適的方法修改船艏的幾何形狀，以通過較少的變量生成不同參數的船艏，并考慮船艏線型與主船體線型進行光順連接。為此，本文開發了基于NURBS曲線的船型變換的融合算法。該算法建立現有母型船數據集合，通過調節不同母型船的融合系數即權重因子，產生系列組合變換的船型;在船型融合變換過程中，保證不同線型母型船的權重因子總和為1，即

式中：m為母型船參數;P為船型變換所需要的控制點坐標;P_i為母型船原始線型的控制點坐標;C_i為權重因子。在融合變換過程中保證：

從上述船型融合變換的基本過程可知：通過調節不同母型船的權重因子融合變換后生成的新的船型，總是在以母型船為邊界所構成的船型空間內;由于原始母型船的船型各不相同，經融合變換后生成新的船體線型也必然是多樣的。

3 基于CFD的阻力數值計算

本研究采用SHIPFLOW軟件，進行船型阻力性能的數值模擬。該軟件針對船舶阻力中的三類成分（興波阻力、摩擦阻力和粘壓阻力），將船體繞流場劃分為勢流區、薄邊界層區、粘性流區三個不同的區域，分別采用不同的理論模型進行模塊化計算與分析，該種求解技術稱之為ZONAL法：

1. 勢流區

基于高階面元法的勢流理論，計算船體興波阻力，區域范圍涵蓋了整個船體及其自由液面。

1. 薄邊界層區

采用動量積分方法得到前2/3 船體上的摩擦阻力。

1. 粘性區

采用RANS方程和湍流模型求解，區域范圍包括船體的后部以延伸到下游至整個的流體區域。

與傳統算法相比，通過采用分區分步求解的ZONAL法，保證計算精度，縮短計算周期，提高計算效率，最終得到船舶航行的總阻力。

對于給定的船速，粘性阻力和船舶濕表面積相關，因此船型改變不大時粘性阻力減小的可能性不太;相反，對于航速較高的船型，球艏的變化對于改變興波阻力非常敏感。SHIPFLOW中，興波阻力計算采用面網格（流場空間是否足夠），網格單元劃分如圖1所示：

4 優化實現過程

4.1 數學模型

對于本文研究船型，受制于船體濕表面積及排水量等約束因素， 粘性阻力改善空間不大。因此，本文以船舶興波阻力作為目標函數，通過興波阻力的大幅減小，帶動船體總阻力的改善。

4.2 優化算法

本研究優化算法采用遺傳算法GA與序列二次規劃法NLPQL相結合的混合算法：首先采用遺傳算法進行初始設計空間的探索，找到近似最優解;在此基礎上，利用序列二次規劃法進行局部優化。混合算法的具體步驟，可參照文獻^[10];算法流程，如圖2所示：

4.3 自動優化流程

船艏線型的自動優化流程，如圖3所示

1. 基于船型變換的融合算法，通過調整不同權重因子，生成新的船體線型;
2. 自動生成shipflow計算所需要的船型數據文件。首先進行靜水力計算，并判斷是否滿足約束條件，若滿足則計算船體興波阻力;反之則返回第（1）步，繼續修改船型方案;
3. 以最小興波阻力為目標，選擇混合優化算法，進行船艏范圍內的船型優化;
4. 若已達到遺傳次數收斂條件，以興波阻力最小為目標，輸出優化線型;否則修改變量返回第（1）步。

5 優化實例

5.1 算例簡述

以某內河集裝箱船為例，進行設計航速為Fr=0.183下的船艏水動力性能優化。計算采用船模尺度及實船主要船型參數見表1，型線圖見圖4所示：

5.2 優化結果

首先開展基于CFD船型阻力預報與驗證，驗證結果和基于水池試驗的結果進行對比分析。從計算結果來看，總阻力數值計算結果與試驗結果非常接近，曲線趨勢一致，最大誤差為4.1%，說明數值計算方法具有較高的精度。

優化過程采用文中的自動優化方法，優化結果如表2所列;優化前后船艏型線，如圖5所示：

從表2對比結果可以看出，優化后船體興波阻力下降了9.8%，總阻力下降2.3%，達到了首部線型自動優化的目標。

6 結語

本文基于 iSIGHT 優化設計平臺，結合 SHIPFLOW 軟件，以最小興波阻力為目標，構建了一種基于CFD的船艏線型自動優化方法。通過對某內河集裝箱的艏部區域優化結果顯示，優化后船舶的興波阻力及總阻力明顯下降，達到了預期目標。

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