基于阻力性能船体型线精细优化的cfd方法

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基于阻力性能船体型线精细优化的CFD方法王言英（大连理工大学船舶工程系，辽宁大连116024）扌商要：根据基于阻力性能的船体型线优化方法的不同，在船舶设计中可以归纳成5个相应水平的优化程序总结了基于经验或统计公式的船体尺度优化（零水平优化），应用CI；D方法分别对裸船体型线、局部船体型线和附体型线进行的精细优化（1,2,3水平优化），以及通过模型试验完成的船体型线的最终优化（4水平优化）的研究成果所采用的CFD方法分别为用厚边界层近似与积分法、厚边界层近似与差分法以及部分抛物线近似与差分法求解N不方程4水平则是通过包括流场测量信息的模型阻力试验进行最终的型线优化尖键词：计算流体力学/占舶设计；船体阻力；优化；势流；粘性中图分类号：U661.21文献标识码：A收稿日期：2（X）2!）1207;修回日期：20022（）321（1作者简介：土言英（19382）,男，教授，博士生导师。弓丨言船型优化是船舶设计的传统方法之一，其中包括船体型线优化船体型线优化通常可以应用数学方法对型线进行光顺，但是必须以船体的布置、水动力与结构性能的要求为目标函数在以船体阻力性能为型线优化对象时，只能在某些约束条件下来完成因此，实际上船体型线优化是一种综合的与权衡的优化方法以往，在船体型线设计的初始阶段大多是应用母型法，并强烈地依赖于设计经验和型线数据库船体型线的进一步设计，通常要进行模型试验模型试验资料的积累或模型系列试验结果的分析，都可以为船体型线优化设计提供有益的信息这些经验的或试验的资料处理主要应用基于最小二乘算法的回归分析技术众多的阻力估算与航速预报经验公式和诸如著名的60系列、BSRA系列及SSPA系列等模型试验分析结果，在20世纪60年代前对船舶设计发挥了重要作用近40年来，单船建造批量愈来愈小,性能要求愈来愈高，同类船舶更新换代愈來愈快因而,以往的船型资料难以胜任新的要求，也很少可能籍此进行系列船型的开发计算机和计算流体力学（CFD）的发展，为快速高效开发性能优异的单船（或小批量的）船型提供了可能同模型试验相比,CFD方法更加经济，也更加快捷在船舶水动力性能方面应用CFD方法的效果主要取决于CFD程序的数学模型水平应当指出,CFD方法并不能替代模型试验，但它可以缩小做模型试验的范围和为型线优化提供有益信息在船舶设计实践中，已经取得了成功应用CFD程序优化船体型线的工程实例，而且最终也得到了应用实验流体力学（EFD）方法和实船试航的验证美国一项对三体船的阻力性能优化研究中,分别对外船体与中心船体的纵向相对位胃和横向间距在不同航速下多体船消波效果进行探讨，共组合了48678个方案的CFD计算,经优化计算确定了最佳设计方案,并得到了模型试验验证*•船体型线精细优化是针对传统优化方法而言的，其优化对象不仅包括主尺度、裸船体型线,而且包括船体局部型线与附体型线芬兰在开发135000m3LNG船的设计过程中,对船体型线基于快速性的要求采用了分步优化技术首先运用经验方法（海军部系数法）对船体尺度与型线进行了初步优化;其后应用CFD计算机程序系统对船体型线进行了进一步的优化，并以模型试验做了验证；最终应用模型试验方法分别对舵鳍、消除毗涡装置和舵球等节能附体进行了选择性的优化处理2,已经形成了一个多水平的优化程序CFD方法的发展已经逐步成为船体型线优化的基本手段瑞典的L.Larsson3、美国的F.Stern4，以及荷兰的M.Hoekstra5等的研究成果和开发的计算机程序系统SHIPFLOW、CFDSHIP2DWA、 PARNASSOS等均已在船舶设计实践中应用本文按优化水平总结了基于阻力性能优化船体型线的理论方法，并给出计算实例以及判断船体型线优劣的相矢准则1优化水平为了更有效地进行船体型线设计，在不同设计阶段可以采用不同水平的优化方法11船体尺度优化（0水平）在设计的初始阶段，通常是针对给定的船体尺度和选择相应的母型船，初步确定船体型线就船体阻力而论，尺度与船型系数的选择是十分重要的因此，在保证总体布置与结构设计的两提下,在尺度限定范围内对其进行适当的调整是可能的，也是必要的应当指出，船舶设计实践中长期积累的经验的和试验的资料与数据，是该诃计阶段实现船体尺度优化的重要依据为使用方便，特别是为适应计算机应用，对资料与数据的数学模型化是必要的回归分析和神经网络与遗传算法，是处理经验与试验数据的去效方法所有的统计结果必须给出其变量使用空间以及相应的标准差和置信度，以保证其被合理地使用6・对于系列606、渔船系列7、肥大型散列'，以及BSRA系列分析给出的数学模型，是以船体主尺度与船型系数为自变暈和以阻力（系数）或剩余阻力（系数）为因变量的，可以用做船体尺度优化的基本数学模型12船体光体型线优化（1水平）阻力是船体光体型线优化的目标函数对于大型与超大型船舶，根据船型可分原理，前后体型线可以分别进行优化通常，后体型线以粘性隹力为优化的目标函数，前体型线以兴波阻力为伐化的目标函数三维边界层计算方法已被广泛斑用于船体型线阻力性能优化设计，3,在船体表面©1994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPubli;及其外场计算网格自动产生--,对于船体粘性绕流初值确定，6,以及有矢湍流模式与边界层内各向速度剖面分析和应用，8'，9方面，为船体阻力及其阻力成分的计算提供了必要的条件应用Navier2Stokes方程的部分抛物线形简化模式,輛以三维Coles速度剖面和Head渗入方程，在流纟扌坐标系中以积分2差分算法，求解三维边界层白々流动参数并确定船体粘f生阻力2°.自船底龙骨到自由表面的各流线上的边界层参数（△H.H,B,C.）,是改善船体粘性阻力性能和螺旋桨桨盘IS处标称伴流分布的重要信息Michell积分法常被用来预报波形阻力根据船体阻力成分的三因次假定，船体总隹力为粘性阻力与波形阻力之和，成为型线设计优劣的判据同时根据粘性阻力中的压差阻力成分和波形阻力成分，又可以作为船体首尾型线设计优劣的判据13船体局部型线优化（2水平）船体型线的进一步优化中，流场信息是至矢重要的为此，计入船体绕流粘性流与势流的相互作用的流场计算是必需的对于深水非定常不可压缩流体和计入非线性自由表面边界条件的船体绕流，根据Navicr2Stokcs方程的TSL模式和Poisson压力方程，应用有限差分方法在时域中进行船体绕流模拟计算，从而可以获得更充分的流场信息，以及确定船体的粘性阻力和波形阻力成分心.作为船体阻力性能优化的目标函数，除了总阻力或相尖的阻力成分外，还包括船体绕流的沸场信息，诸如船体首波波系的压力分布，船体表面边界层在后体的分离位胃特别地，相应的船体绕流流场可视化技术的成功幵发'25,对于船体局部型线优化设计是十分有意义的工具14船体附体型线优化（3水平）计入粘性绕流对螺旋桨叶剖面和桨叶水动丈性能影响的计算26^29,对于考虑桨船相互作用苣计算是必需的利用压力匹配的差分法或有限体积法解二椁式的部分抛物线形Navier2Slokes方程被用来模拟考虑桨船相互作用后的流场27~叫此时目标函数为粘性阻力（系数）及伴流分数，优化对象为局部船体型线、附体型线及螺旋桨的配置15船体型线定型优化（4水平）通过上述不同水平的基于阻力性能船体型线gIlouse.Allrightsreserved,http://www.cnki.net 的优化设计，不仅可以构造优秀的型线，还可以形成性能优异的型线子样进一步的型线优化,可以根据给定的目标函数和约束函数进行选择，也可以应用优化程序系统进行最优化的计算不检用何种方法从事船体型线的优化,其获得的型线的阻力性能最终只能通过模型试验来确定实阿上，所有进一步优化的信息都可以通过基于2<水平的计算得到目前利用CFD程序预报阻力性能的相对准确度是可以保证的，也就是说可以利用CFD程序的计算进行不同模型间的比较但最终船体阻力的预报还应由模型试验来确定迄今为止，大制分CFD程序还只能对模型（Re=10627）的阻力怕能进行预报3，'34-因此，可取与计算模型相同尺度的模型进行试验对于实船（通常尺尸10°）阻力性能的预报应考虑尺度效应所有船舶设计者都希望CFD程序可以直接预报阻力性能，而不匡需要做模型试验这种愿望只有在系列船型及走相当大数据库支持的船型上才有望实现对于新船型，模型试验是必要的所有CFD程序的结果也必须经模型试验进行验证2应用本文以DSMT油船为实例，在已进行尺度优化（0水平）、裸船体型线优化（1水平）的基础上进行局部型线优化（2水平）.21船型参数DSMT油船的主尺度及船型系数如表1所示表1船体主尺度及船型系数Tab11DhiensionsandcoefficientsofshhullbjtAZ3CbS53Q009Q8158在母型船基础上对首尾分别进行修改，共得4种船型方案，分别为DSVIT船体母型（方案1）、船体球首改型（方案：,提高球首重心）、船体球尾改型（方案？，增加•值）、船体球首和球尾同时改型（方案K,提高球首重心和增加。力值）.表2给出各方案的有矢参数其中人乂冲为球鼻最前端至首柱距离与垂线间长之比;I"为球鼻最大宽度处距静水面的距离与吃水之比;徧叽芳为首柱处球鼻横剖面的最大宽度与船宽之比;Sp.方为首柱处球鼻横剖面的面积与中横剖面的面积之比;匕方表示球体大小,a为特征站最窄处的半宽,b为最窄处以下的最大半宽;5为球尾屮心在基线以上高度与螺旋桨轴在基线以上高度之比表2各方案方形系数及首尾参数Tab12Bbckcoefficientsandgeornetricparainetersofbowandstern方案球首MMCb1"PP加jrhn