船舶兴波阻力计算与型线优化

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1、第1覃绪论第1章绪论1．1本文研究的目的与意义近年来，随着国际油价迅速上涨，船舶运输成本中燃油费用所占比重急剧增加，使得各大航运公司面临巨大的成本压力。根据统计数据表示，一艘20，000吨级的货轮，主机功率为8000kw情况下，节省1％的燃油每年可以节省45，000美元；一艘5000箱集装箱船，主机功率为50，000kw情况下，每节省1％燃油每年可节省300，000美元。船舶快速性能与经济性能已经成为十分重要的研究课题，船舶节能技术成为当务之急。在船舶的各种性能中(如浮性、稳性、抗沉性、耐波性、操纵性等)，船舶快速性占有十分重要的地位”】。船舶快速性包括船舶阻力性能

2、及推进性能两方面，它们直接影响着船舶燃料的消耗这个经济性能，因此主要从两个方面考虑船舶节能的：(1)降低船舶的阻力性能；(2)提高船舶的推进效率。本文主要关注船舶的阻力性能，船舶的阻力主要是由摩擦阻力、兴波阻力和粘压阻力构成。对于低速船，兴波阻力的成分很小，摩擦阻力约为70％～80％，粘压阻力占10％；但对于高速船，其兴波阻力可占总阻力的40％～50％，摩擦阻力约为50％，粘压阻力仅为5％。一般来说，摩擦阻力与船体水下水表面积大小密切相关，而湿表面积受船型变化的影响很小，因此摩擦阻力与船型之间没有必然的联系；而且船体表面横纵向曲率对粘压阻力的影响较小，因此在给定排水

3、体积与航速的情况下，通过改变船型来减小摩擦阻力的影响的可能性较低。而船体的形状与兴波阻力密切相关，如采用有效的手段对船型进行修改，有可能使兴波阻力得到显著的改善。基于兴波阻力这一特性，许多船型优化设计过程中都是以兴波阻力计算方法作为优化的目标函数。在实际情况中，大部分船舶的兴波阻力主要是通过船模水池实验测量而获得的，这样虽然能够获得最精确的阻力估算性能，却要花费大量时间和经费，并且在对船模进行实验时，船型已经基本确定，选定的参数数目及其变化范围有限，不能完全反映船型与阻力性能之间的影响关系，使得优化过程十分困难。从理论角度分析兴波阻力的机理，并采用有效的数值计算方法

4、对其进行预报评估，可以弥补船模实验的不足昭】。但是由于兴波问题的复杂性、甚至对船舶兴波阻力的机理尚未完全明了[3]，因此对于不同的船型和不同的航速范围，甚至对于简单的数学船型，实验值与各种兴波阻力理论的分析值之间的差异也各不相同，有时这种差异还是相当显著的⋯51，至今尚没有一种理论方法能够解决所有船型的兴波阻力问题。因此寻找一种有效且适用范围广泛的兴波阻力数值计算方法，具有十分重要的学术哈尔滨工程大学硕士学位论文iiiiiii；；；iiiiii；；；；iii；i；；；；iii；；；；；iiiiii；；；；；；；iiiii；；；；；；iiii；；；；i墨iiiiii；

5、；；；意义和实用价值。兴波阻力的计算方法，是在船型给定的前提下，通过求解流体运动的边值问题(boundaryproblem)进行的，这类边值问题也称为正问题。实践上还有另外一类M题，即是基于最小阻力寻找最优船型，该问题称为逆问题，也称为优化问题【6J。兴波阻力理论的应用范围十分广泛，随着造船界对低阻船型的需求越来越大，使得兴波阻：力在船型优化过程中的地位越来越重要。将兴波阻力理论应用到船型优化过程中，首先需要对船型形状进行准确的表达，然后需要找到一种行之有效的数值计算方法将兴波阻力与船型参数联系起来，最后需要选择一种拥有良好寻优性能的优化算法。根据以往的研究成果可知

6、，已经有多种现代化的优化理论闭～l旧】被得成功的应用于船型优化过程中，并且改良船型都具有优越的减阻效果，减阻最高可达30％左有Ii¨。鉴于此，本论文主要对兴波阻力数值预报方法进行了研究，对包括Michell积分方法、Noblesse新细长船方法及Dawson方法在内的三种数值预报方法进行比：饺分析，探讨了这三种数值计算方法在不同船型中的适用范围及预报精度，并以此为参考依据，从而寻找一种相对准确且适用性较强的兴波阻力数值计算方法作为船型优化的目标函数；然后，本文以兴波阻力作为优化目标，基于最小阻力，初步探讨了遗传算法：在船型优化中的应用。]1．2船舶兴波阻力理论研究现

7、状和进展船舶兴波阻力研究的发展过程实际上是一个从线性发展到非线性的过程，线性理论是一种兴波阻力的近似理论，它是在基于各种假设的前提下，对物面条件及自由面边界条件进行简化处理，略去其中的线性项，因此基于线性理论的兴波阻力预报结果与实际情况有很大的偏差，常常需要对计算结果进行一定的修正。Michell积分是线性理论中较为常用的方法之一，它于1889于由Michell导出，Michell积分计算简单形式优美，并且将船型函数与兴波阻力联系起来，引起了学术界的广泛关注吲嘲。C．C．Hsiung[143提出了一种曲面的数学表达方法，称为帐篷函数，并将其应用到船型的表达中。国