船体艏部水动力性能优化

徐 力 陈作钢

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240

船体艏部水动力性能优化

徐 力 陈作钢

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240

提出一种以势流兴波阻力理论Rankine源方法为基础，结合SHIPFLOW软件为计算工具，利用CADCFD集成平台FRIENDSHIP－Framework软件进行变形优化，研究船舶的最小兴波阻力型线优化设计的方法，并考察了兴波优化得到的船型总阻力变化情况。在型线优化过程中，以兴波阻力系数为目标函数，排水量变化范围为约束条件，在Wigley船体前端增加一个利用Feature建模技术参数化生成的球艏并调整艏部型线使得船体表面光顺。选取球鼻艏形状的各项参数作为基本设计变量，利用DOE方法对船艏进行优化，获得了设计航速下兴波阻力较小的船型，验证了所提方法进行船艏型线优化的有效性。相应的考察变形及优化前后总阻力变化情况表明：在高傅汝德数情况下增加球艏所带来的粘性阻力的增加小于兴波阻力的减小量，总阻力得到了改善，优化后得到的球艏能在进一步减小兴波的同时减小总阻力。此外，还运用所提方法对3100TEU船型的船艏，利用Delta Shift方法进行变形，在设计航速下，将变形的参数作为设计变量，利用DOE方法进行优化设计。结果显示：在排水量限制范围内当球鼻艏向上向前伸展一定长度时可以降低兴波阻力。与此同时，由于优化前后船体湿表面积变化很小，粘性阻力的变化并不明显，兴波的减小则使得总阻力得到了改善。

Rankine源方法；兴波阻力；艏部优化；总阻力

1 引言

船舶在水面航行时会产生兴波，兴波不仅会产生阻力、消耗能量，还会在波浪冲击海岸或者其他船舶的时候在远场产生消极的影响，所以应当在优化设计中尽量减小兴波［1］。近年来，基于水动力学理论的数值模拟和性能预报逐步成为可能［2］，而在势流框架下船舶的兴波阻力数值计算问题现已统一在Rankine源法的基础上［3］。本文将提出一种以势流兴波阻力理论Rankine源方法为基础，运用SHIPFLOW和CAD－CFD集成平台FRIENDSHIP－Framework［4］软件，研究最小兴波阻力船型优化设计的方法，并运用该方法分别对Wigley船型和3100TEU船型的船艏进行优化，考察基于兴波的船型优化对总阻力的影响。

2 数值方法－区域划分法

本研究采用CFD软件SHIPFLOW进行数值计算模拟。该软件采取的算法是将围绕船体的流场划分成3个区域，每个计算区域分别采用相应的计算方法，如图1所示。

第1个区域范围最广，涵盖了整个船体和环绕它的自由液面，应用Rankine源自由面势流方法进行计算。第2个区域是船体前半体表面附近的薄边界层，应用动量积分的边界层方法进行计算。第3个区域包括船体的后部以延伸到船体下游半个船长的流体区域，应用k－ε模型封闭并求解RANS方程进行计算。RANS方程使用有限差分的方法，基于SIMPLER算法的压力速度耦合，二阶迎风格式进行计算。同在整个计算区域内求解RANS方程相比，采用区域划分、分别计算的算法可以节省大量的计算时间［5］。计算可以得到3种类型的阻力成分，即兴波阻力、摩擦阻力和粘压阻力。其中，兴波阻力通过对沿船体表面的势流压力进行积分得到。沿船体表面局部摩擦应力积分的结果就是摩擦阻力，前后半体的局部摩擦阻力分别通过边界层方法和RANS方程中的壁面剪应力得到，由粘性影响得到的压力积分可以得到粘压阻力，总阻力即为上述3种阻力之和。

3 优化算例

3.1 Wigley 船型优化

3.1.1 Wigley 船型

选取的 Wigley船型方形系数 CB＝0.44，垂线间长 Lpp＝3.048 m，宽度与长度比值为 B／L ＝0.1，吃水与长度比值为H／L＝0.062 5，其基本船型由公式（1）［6］定义。

其设计航速状态下Fr＝0.316，Re＝4 766 549。

3.1.2 Wigley 船型变形及优化

Wigley船型可用公式表达，是一种数学船型，没有球鼻艏，为优化其兴波阻力性能，采用FRIENDSHIP－Framework系统中的 Feature功能参数化［7］建立一个球鼻艏的模型，然后将Wigley船型艏部1/10的位置在保证光顺的情况下用Feature定义的fillet代替，其中fillet指2个面之间的用光顺曲面连接的衔接面，其建立的模型如图2所示。图中A部分为生成的球鼻艏曲面，B、C部分为fillet曲面，D、E部分为原Wigley船型中的部分曲面。B左右端上部顶点与球鼻艏右端顶部在同一水平线上，C顶部线段处于设计吃水的水平面位置并与原曲面重合。

建立的球鼻艏参数［8］如下：相对突出长度为5%，相对浸沉深度为40%，最大宽度比为30%，相对排水体积比为1.2%。

图2 增加球鼻艏后的Wigley船型Fig.2 The Wigley hull model after the bulb added

3.1.3 优化前后结果对比

优化后的球艏形状如图3所示，该图也显示了船体表面的压力分布云图。变形及优化前后波形对比图和波切对比图如图4、5所示。波形对比图（图4）中不同的颜色表示该位置处不同的兴波情况，颜色越深表示波高值越大。波切图（图5）中FS表示船体中线面上的波高，－0.1000表示y／L＝0.1位置处自由面上的波高。由图可见，在设计航速下，从原Wigley船型到增加球艏后船型到优化后得到的船型，船体艏部的波谷减小明显，说明兴波有明显的减小。研究结果表明：增加球鼻艏后艏部波峰和波谷都有明显减小，优化后船型的艏部波峰比增加球鼻艏的船型艏部波峰有所增加，波谷则减小得比波峰增加量明显。说明球鼻艏对降低兴波阻力的效果明显，优化后的球鼻艏形状则能更好地减小兴波。

图3 Wigley船型艏部优化后得到的形状Fig.3 The bulb shape of the Wigley hull after optimization

图4 Wigley船型增加球鼻艏前后，以及球鼻艏优化后的波形对比图Fig.4 The comparison of the wave contour（a） the original Wigley hull，（b） the new Wigley hull which added the bulb，（c） the optimized Wigley hull

图5 Wigley船型增加球鼻艏前后，以及球鼻艏优化后的波切对比图Fig.5 Comparison of the wave cut among the Wigley hulls before and after the bulb added as well as the one got the bulb optimized

图6 Wigley船型增加球鼻艏前后，以及球鼻艏优化后的兴波阻力系数（Cw）和总阻力系数（Ct）对比图（IIHR为原始Wigley船型的实验数据，其余为仿真数据，其中Ori为原始Wigley船型，new为增加球鼻艏后，opt为球鼻艏优化后）Fig.6 The comparison of wave resistance （Cw） and total resistance （Ct） among the Wigley hulls before and after the bulb added as well as the one got the bulb optimized（IIHR for the experiment date，ori for the original Wigley hull， new for the Wigley hull added the bulb， opt for the one got the bulb optimized）

考察优化船型在不同Fr下的兴波阻力和总阻力，Fr取值区间为［0.3，0.4］，图 6 所示为优化前后不同Fr下兴波阻力系数Cw和总阻力系数Ct对比图。图中IIHR的数据为Iowa Institute of Hydraulic Research的实验结果［3］。 对比原 Wigley船型和IIHR实验数据发现，计算得到的兴波阻力系数与实验数据非常接近，在高Fr下基本重合，计算得到的总阻力系数与实验数据相比有一定误差，但能够反映总阻力的变化情况，能够一定程度上预测总阻力的变化趋势。对比增加球鼻艏以及优化前后兴波阻力可见，增加球鼻艏对兴波降阻明显，该优化能进一步减小兴波。在总阻力上，增加球鼻艏却并不是一致地减小总阻力，而是在Fr较低的时候增加了总阻力，Fr较高时减小总阻力，这是因为增加的球鼻艏增加了湿表面积使得摩擦阻力增加，在低Fr时候摩擦阻力所占比例比较大导致总阻力不是降低而是有所增加，而在Fr较高时兴波阻力所占比例逐渐增大，兴波的减小则使得总阻力也能得到减小。对增加的球鼻艏进行优化后的船型总阻力却能一致减小，减小量与兴波阻力减小量相当，说明了优化方法的有效性。

3.2 3100TEU 球艏优化

3100TEU船型主尺度如表1所示：

图7 3100TEU船型优化后得到的球艏形状Fig.7 The bulb shape of 3100TEU after optimization

图8 3100TEU船型Fr＝0.253时优化前后的波形对比Fig.8 Wave contour comparison at Fr＝0.253 between the 3100TEU hulls before and after optimization

图9 3100TEU船型Fr＝0.253时优化前后的波切对比图Fig.9 Wave cut comparison at Fr＝0.253 between the 3100TEU hulls before and after optimization

波切图（图9）中FS表示船体中线面上的波高，－0.1000 表示 y／L ＝0.1 位置处自由面上的波高。从图中可以看到艏波峰减小很多，波谷变化不明显，说明优化后的球鼻艏对波形有明显的改善。

图10和图11分别是优化后得到的船型在Fr＝0.21 和 Fr＝0.27 时候与优化前的船型的波形对比图，图12和图13分别是相应时候的波切对比图。

由图可见，优化后的船型在Fr＝0.21情况下船艏兴波的波高有所减小但是波谷略微增大，在Fr＝0.27情况下船鼻艏兴波的波高也有所减小，说明优化后的球鼻艏能减小兴波阻力。

图10 3100TEU船型Fr＝0.21时优化前后波形对比图Fig.10 Wave contour comparison at Fr＝0.21 between the 3100TEU hulls before and after optimization

图11 3100TEU船型Fr＝0.27时优化前后波形对比图Fig.11 Wave contour comparison at Fr＝0.27 between the 3100TEU hulls before and after optimization

图12 3100TEU船型Fr＝0.21时优化前后波切对比图Fig.12 Wave cut comparison at Fr＝0.21 between the 3100TEU hulls before and after optimization

图13 3100TEU船型Fr＝0.27时优化前后波切对比图Fig.13 Wave cut comparison at Fr＝0.27 between the 3100TEU hulls before and after optimization

对比设计航速下优化船型在不同Fr下的兴波阻力系数和总阻力系数，如图14所示，可以看到阻力有一致明显的减小，总阻力的减小量大致相当于兴波的减小量。球鼻艏的变化对船体粘性阻力的影响很小，由于优化前后船体湿表面积变化很小，粘性阻力的变化并不明显，兴波的减小则使得总阻力得到了改善，减小了兴波则直接减小了总阻力。在设计航速下兴波阻力系数减小28.57%，但是由于兴波在总阻力中所占比例较小，优化后得到的总阻力系数减小量为5.619%，可见球艏的优化也明显减小了总阻力。

3100TEU船型球鼻艏优化形状与Wigley船型优化结果的形状相似，并与文献［10］中优化得出的形状一致，说明球鼻艏在向上和向前有一定的伸展时能有效地减小兴波阻力。

图14 3100TEU船型球鼻艏优化前后的兴波阻力系数（Cw）和总阻力系数（Ct）对比图（ori为原始3100TEU船型，opt为球鼻艏优化后）Fig.14 The comparison of wave resistance（Cw） and total resistance （Ct） between the 3100TEU hulls before and after the bulb optimited （ori for the original 3100TEU hull，opt for the 3100TEU hull after optimization）

4 结 论

本文采用SHIPFLOW的XPAN模块，用Rankine源方法进行兴波阻力计算，利用FRIENDSHIP－Framework对船型进行变形，以兴波阻力为目标函数采用FRIENDSHIP－Framework的DOE（Design of Experiment）功能优化船体艏部形状。首先采用Sobol方法进行全局搜索，在大范围内搜索较低兴波阻力的球鼻艏形状，然后将得到的相对比较低的数个方案分别利用TSearch（Tangent Search Method）方法寻找兴波阻力的局部最低点，并相应的考察变形及优化对总阻力的影响。Wigley船型优化的结果显示，在一定限制范围内船体球鼻艏向上向前伸展一定距离的时候，兴波阻力能够得到很好的改善，总阻力也得到一定程度的减小。3100TEU的结论也显示球鼻艏在一定程度上的伸展会改善兴波阻力，相应的总阻力也得到了减小。

船型优化后得到的船体艏部形状与相关文献中得到的优化结果的艏部形状相似，证明了球鼻艏在一定程度上的伸展能够有效减小兴波阻力。

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Hydrodynamic Performance Optimization of Ship Hull’s Forebody

Xu LiChen Zuo－gang

School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China

Based on Rankine Source Method， the paper introduced SHIPFLOW as computing tool， and also combined FRIENDSHIP－Framework which used as integration platform of CAD－CFD to study the minimum wave resistance hull body design.And total resistance was tested.We chose Wigley hull as the study object and calculated the wave resistances under different Fr conditions.The results were in good agreement with the experiment data.During the optimization process， we chose a new Wigley hull with a bulbous bow generated by the Feature function of FRIENDSHIP－Framework as original hull type，wave resistance as the objective function， displacement as the constraint condition，parameters controlling the shape of the bulbous bow as the basic design variable，and took Design of Experiment（DOE）method as the optimization method.The numerical optimization result gave a low wave resistance ship hull at the design speed， which indicated that the method is effective.The result of total resistance shows that the new type of Wigley hull added a bulb has lower result than the original one，and the optimized type of Wigley hull gets the total resistance reduced further due to the reduction of the wave resistance.3100TEU was optimized by the same method at its design speed while Delta Shift method was applied to get the transformation.The results show that with the limitation of ship＇s displacement，the bulbous bow with a forward and upward extending would reduce the wave resistance.Meanwhile， the wetted surface which makes a great deal in the viscous resistance changes little，which means that the viscous resistance does not change significantly，thus the reduction of the wave resistance basically get the total resistance reduced.

Rankine Source Method；wave resistance； optimization of forebody； total resistance

U663.5

A

1673－3185（2012）02－37－05

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.007

2011-12-12

国家财政部重大专项（ZXZY019）

徐 力（1987－），男，硕士研究生。研究方向：计算流体力学。E-mail：strikexl＠126.com

陈作钢（1967 － ） ，男，研究员，博士生导师。 研究方向：计算流体力学，风洞循环水槽。 E-mail：zgchen＠sjtu.edu.cn

陈作钢。

［责任编辑：喻 菁］