62 000 DWT多用途船的船型優化

馬雪泉,張立,2,蔣曙暉,苑志江,呂明冬

(1.上海船舶運輸科學研究所有限公司 a.航運技術與安全國家重點實驗室;b.航運技術交通行業重點實驗室,上海 200135;2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院,哈爾濱 150001;3.上海船舶研究設計院,上海 201203;4.海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116013)

隨著計算機技術的發展,船型優化方法已從人工方法朝著自動優化的方向發展,并衍生出了一些自動優化工具,學者們的研究表明,船型優化工具可以提升船舶設計的高效性必要性和可實現性[1-4],也為船型優化工作的開展提供了重要參考。

為設計出國內較大噸位的多用途重吊船,以一艘在運營狀態的62 000 DWT散貨船作為母型船,對其進一步優化,優化的目標是使優化船型在結構吃水和設計吃水的裝載狀態具有更優的快速性能。

首先對母型船在結構吃水和設計吃水狀態進行數值模擬,得到船體靜水阻力和船體表面的壓力梯度分布、興波特性,由此然后針對艏部進流段和船艉去流段展開線型優化,以降低興波阻力;對船舶尾部去流段的長度進行加長,以減小去流段流動分離區域;對艏部線型進行優化,以降低船舶的興波阻力。然后對船艉的尾部流場進行優化,以降低船體的粘壓阻力,改善螺旋槳附近的伴流場,對船體阻力和流場進行計算,并采用模型試驗驗證優化船型的快速性能。

1 優化目標和優化策略

傳統的船型優化方法是從母型船出發,通過人工調整對母型船局部位置不斷調整,獲得滿足目標要求的優良線型。目前較為先進的方法是結合幾何重構技術、數值模擬和優化算法,對船體曲面幾何的目標指標迭代計算,優選出符合設計要求的目標船型。

1.1 船型主尺度和優化目標

母型船主尺度為:船長LPP=222.60 m、船寬B=40.00 m,設計吃水Td=11.30 m,目標航速為14.5 kn;結構吃水Ts=13.50 m,目標航速為14.0 kn。優化目標為:在保證排水體積和主要布置變化不大的情況下,設計吃水和結構吃水下的靜水阻力降低1%以上。

1.2 優化策略

母型船的線型經過模型試驗和實船試航的驗證,具有良好的快速性能,在其基礎上進行優化時,船型優化的難度較大,經過分析,優化主要從以下方面開展工作。

1)對母型船開展CFD數值模擬,分析結構吃水和設計吃水狀態下目標航速點的流場信息,如興波、船身壓力、船身側面的流線等。

2)確定壓力梯度分布不均勻的區域和流線變化較大的區域,進而確定進行幾何變換的區域。

3)開展船體幾何曲面自動變換和數值計算評估工作。利用多工況優化方法,以設計吃水和結構吃水的阻力結果為優化目標,設置結構吃水和設計吃水的阻力降低權重分別為50%,即計算目標總阻力=設計吃水工況阻力×50%+結構吃水工況阻力×50%,基于計算目標實施優化工作,篩選出計算目標下的最優結果。

4)基于Star-ccm+軟件設置不同的網格密度,進行網格收斂性驗證,對優化結果進行再次驗證,并與母型船的計算結果進行對比。

5)采用優化船型進行阻力和自航試驗,驗證船型的性能。

2 船體線型優化

設定優化目標,確定優化策略,利用CAESES實現船體局部幾何變形,Shipflow用以求解阻力結果并利用NSGA-II優化算法進行船體線型優化,最終得到的母型船和優化船型的主尺度對比見表1。

表1 母型船和優化船型的幾何參數對比

與母型船相比較,優化船型的方形系數Cb保持一致,艉部機艙段線型保持不變,艉軸出口向前移動0.05 m。優化船型在設計吃水下的LCB向前移動0.20 m,在結構吃水下的LCB前移0.18 m。同時,優化船型的進流段長度和去流段均有所增加。

3 優化后阻力性能結果對比

將母型船和優化船型在Star-ccm+軟件中經過網格收斂性驗證,計算得到更加豐富的結果,從阻力、興波、流線等方面對比母型船和優化線型。

3.1 阻力優化結果

設定縮尺比為λ=28.75,分別計算模型尺度母型船和優化船型在設計吃水和結構吃水下的目標航速附近的靜水總阻力,結果見表2。

表2 優化效果對比

在設計吃水和結構吃水狀態下,阻力分別降低1.64%和2.10%,達到了優化目標。

3.2 水面興波對比

以設計吃水和結構吃水的目標航速下的計算結果為例,水面興波結果見圖1。

圖1 自由表面興波對比

圖1中,上半部分為母型船結果,下半部分為優化船型的結果。圖1a)中,優化船型的船身周圍的流場較為平緩,舷側的自由面興波的波高較小,船艉興波的較小,波形較為平緩。圖1b)中,在結構吃水的目標航速下,優化船型的自由面興波更小,且波形分布較為平緩。

3.3 船身表面壓力對比

船身壓力對比見圖2。

圖2 船身表面壓力

圖2a)和圖2b)中,優化船型的船艏附近,壓力分布更均勻,去流段的壓力更小,并且舷側的自由面波高更小。同樣,在圖2c)和圖2d)中優化船型的船艏和舷側區域的壓力分布更均勻,舷側的自由面波高更小。

3.4 流線對比

在船身周圍布置相同的流線種子,得到的結果見圖3。

圖3 流線結果

圖3a)和圖3b)中,母型船在船艏的局部位置出現了較高的興波,優化船型的流線分布均勻,且艏部沒有出現較高的興波。在自由面以下的位置,優化船型的流線分布較為平穩,表明流場更為穩定。圖3c)和圖3d)中,母型船和優化船型在結構吃水時,艏部和艉部的流線結果較為近似,但是優化船型舷側的流線分布更加均勻。

3.5 伴流分布對比

在母型船和優化船型的槳盤面附近的相同位置,截取伴流分布,見圖4。左側為母型船,右側為優化船型的伴流。

圖4 槳盤面處伴流分布對比

圖4a)中,母型船和優化船型在設計吃水的14.5 kn時,伴流分布近似,但是優化船型的高伴流區域的垂向位置略低,集中在槳轂附近,在一定程度上,優化船型的伴流分布更有利于改善推進性能。圖4b)中,在結構吃水Ts=13.50 m,目標航速Vs=14.0 kn時,優化船型的高伴流區域范圍更小,高伴流區域的垂向高度較低,主要集中在螺旋槳的槳轂附近,優化船型的伴流分布形式有助于提升螺旋槳的推進效率。

3.6 不同吃水狀態和速度下的阻力

計算不同吃水狀態和不同速度下的總阻力,結果見表3。

表3 不同狀態和速度下的總阻力計算結果

由表3可見,3個不同吃水狀態、不同速度下的總阻力結果表明,優化船型的阻力性能更加優良,證明本次船型優化達到了優化目的。

4 試驗驗證

為了驗證該船型的快速性能,使用相同縮尺比的船模在上海船舶運輸科學研究所深水拖曳水池進行結構吃水狀態下的阻力性能和自航性能試驗,試驗現場局部見圖5,采用ITTC推薦方法分析試驗結果。

圖5 模型試驗現場(Ts=13.50 m)

經試驗驗證和分析,結構吃水Ts=13.50 m狀態下,對應實船航速為13.0、14.0、15.0 kn時,模型試驗阻力結果與數值計算的誤差分別為-0.61%、-0.44%、-2.37%,驗證了數值計算結果的準確性較好;進行自航試驗后,對應的推力減額t約為0.19,相對旋轉效率ηr約為1.01,在船型數據庫中進行比較,認為該船的快速性能指標達到了較好的水平。

5 結論

1)與母型船線型相比較,優化船型的進流段有所變化,其形式有助于改善船體在設計吃水和結構吃水下的興波阻力。優化船型的船身壓力分布更均勻,自由面興波更小。優化船型在槳盤面附近的伴流分布形式更加有助于提升推進效率,其伴流分布更加均勻,高伴流區集中于螺旋槳槳轂附近。

2)對3個不同吃水、不同航速進行數值計算,優化船型的降阻效果約為0.61%～3.12%,證明優化工作有效。經結構吃水狀態的試驗驗證,模型試驗與數值計算的阻力結果近似,自航性能在同類近似船型中較為優良,船型優化工作達到了預期目標。