基于二次流能量法的最小阻力船型研究

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1、基于二次流能量法的最小阻力船型研究23基于二次流能量法的最小阻力船型研究张宝吉（上海海事大学，上海201308）摘要：船体尾部流场速度场的横向和垂向分量是导致粘性阻力增加的根本原因，为了获得最小总阻力船型，以船体尾部区域为优化设计对象，以YZ方向的二次流能量最小为目标函数，以样条函数的参数为设计变量，在保证排水量为基本约束条件下，根据实际情况附加其它约束条件来控制尾部形状的变化，采用非线性规划法进行优化设计。通过集装箱船的优化算例，证实了采用该方法进行船型阻力优化的可靠性。关键词：二次流能量；Hess-Smith法；

2、Rankine源法；非线性规划法中图分类号：U661.1文献标识码：A文章编号：1005-9962(2010)02-0021-04Abstract:Thetransverseandverticalcomponentsofthevelocityfieldinthesternareaaretheprimesourceofresistanceincreasing.Inordertoobtaintheminimumresistancehullform,tankingthesternshapeastheoptimization

3、objective,theenergyofsecondaryflowoftheyandzdirectionsastheobjectivesfunction,theparametersofB-splinefunctionasthedesignvariables,theappropriatedisplacementasthebasicconstraintsandtheallowablevariationofstemshapeasanadditionalconstraint,thedesignisoptimizedwith

4、nonlinearprogramming(NLP).Theoptimizationexamplesforfull-scalecontainershipsareprovided,whichconfirmthattheresistanceisreduceddistinctly bythisoptimaldesignmethod.Keywords:secondaryflowenergy;Hess-Smithmethod;Rankinesourcemethod;nonlinearprogramming基于二次流能量法的最小阻

5、力船型研究230引言最小阻力船型的确定通常是船舶设计者孜孜以求的目标，而常规的做法是基于兴波阻力理论的船型改型研究，即在保持尾部线型不变的情况下，优化船体首部或前半体形状，这种方法对中高速船型很有效，但对于一些受形状影响较大的中低速肥大船型其效果未必可靠，因为这些船型的粘性阻力在总阻力中占有主要份额，特别是尾部区域[1,2]。因此，必须从降低粘性阻力的角度去优化此船型，从而达到总阻力最小的目的。近年来，随着计算流体力学（CFD）理论的不断深入发展，采用CFD进行数值模拟和船型优化逐渐成为可能。然而，如果将CFD和最优

6、化技术结合起来进行船型设计需要花费太长的计算时间。众所周知，船舶在运动过程中，尾部区域速度势的横向分量和垂向分量是船体尾部产生压力的根本原因，再加上尾部线型的复杂多变，有时还会产生舭涡和粘性分离现象，导致粘性阻力明显增加，控制尾部流场速度势分量的流向是问题的关键。可以作者简介：张宝吉，男，博士，讲师。1979年生，大连理工大学船舶与海洋结构物体设计制造专业毕业。现主要从事船舶与海洋结构物设计制造研究和从事教学工作。根据叠模流周围的势流解来选择船体尾部的线型。本文在参照文献[3，4]的基础上，采用非线性规划法，在确保排

7、水量为基本约束条件下，以尾部YZ剖面上的二次流能量最小为目标函数进行优化设计，以此来获得最小阻力船型。1最小二次流能量法叠模船体坐标系可以表示成图1的形式，轴、轴取在未扰动的静水面上，轴沿着均匀来流指向船尾，轴垂直向上。船尾任意剖面的二次流能量可以定义为下列形式。YUZX图1叠模坐标系(1)式中，——流体质量密度；基于二次流能量法的最小阻力船型研究23——叠模速度势。可通过Hess-Smith法和Rankine源法求得。1)Hess-Smith法[5]求：该方程所满足的物面条件如下，即(3)式中，——场点(x,y,z

8、)与源点之间的距离；——叠模船体表面；——船体的外法线方向。2)Rankine源法[6,7]求：(4)式中，——场点(x,y,z)与源点(x’,y’,z’)之间的距离；——静止水面。物面条件(7)自由面条件在上(8)二次流能量密度可以表示成下列形式，即(9)2船型优化数学模型2.1目标函数以二次流能量密度最小为优化目标，则目标函数可以表达成下列