某拖虾船船型优化设计

王凤琴，魏 斌

(1.紫琅职业技术学院，江苏 南通 226002;2.江苏省无锡交通高等职业技术学校，江苏 无锡 214151)

0 引言

东海的桁杆拖虾作业，开始于20世纪70年代末［1］，80年代随着虾类资源调查的开展，开发了外海新的虾类资源和渔场，拖虾作业得到迅速发展，已成为海洋捕捞业中规模较大，产量较高的一大作业。但是渔业是一个高耗能、高风险的产业，燃油成本占整个捕捞成本近70%。近年来，随着柴油价格不断上涨，拖虾作业整体效益正逐年下降。为了应对油价持续上涨，一方面，渔民延长海上作业时间，减少回港次数，节约燃油成本;另一方面，多年来国内高校及科研机构一直致力于节能船型的研究［2～6］。开展拖虾渔船型优化设计工作，可以促进渔业船舶环保、节能技术的发展，提高拖虾渔船的经济性能，加快渔业船舶标准化进程。

1 主要量度及母船型线改造

1.1 主要量度

1.2 母船型线改造

横剖面面积曲线改造是运用母型船改造法生成设计船型线的基础，其结果直接影响设计船的阻力性能、航行性能和营运经济性［7］。修改横剖面面积曲线的基本原理为将各站横剖面面积通过沿纵向移动一个距离来实现修改面积曲线特征值。

本文根据母型船的横剖面曲线，应用“1－Cp”法将横剖面面积曲线分为前后半体，分别对其进行修改。方法为:将半体面积曲线及修改参数无因次化，仅改变棱形系数Cp，保留原有曲线基本形状条件下修改得到新的横剖面面积曲线。

设修改函数为:

该函数的边界条件为:x=1.0时，δx=0。由约束条件:

得:a=δCPF/(1－CPF)，代入式(1)得:

对于后半体，同理可得修改量δx的表达式:

对于初始的面积曲线，通过近似积分计算得到CPA和CPF，应用经验公式:

根据新船的XB、Cp估算出新船的CPF和CPA，从而求得 δCPF和 δCPA。

以上各公式中字母所表达的含义如下:

δx为各站横剖面面积通过沿纵向(X)移动的距离;CP为棱形系数;CPF为前半体棱形系数;δCPF为CPF的修改量;CPA为后半体棱形系数;δCPA为 CPA的修改量;xB为母船浮心纵向位置;XB为新船浮心纵向位置;a为数值;x为横剖面在纵向位置。

利用母型改造方法设计型线，若横剖面形状和中剖面系数不做修改，那么横剖面面积曲线修改后，可以利用插值的方法生成型线。在修改后的横剖面面积曲线图上，量取各站处新船与母型船横剖面面积百分数相同的距离δxi，然后在母型船的水线图上距对应站 δxi处量取各水线半宽 yij，再乘上 B/B0(型宽线性改造的比例值)，最后得到新船各站半宽型值。

2 数值模拟与结果分析

经线型优化后的4种船型通过FLUENT前处理软件GAMBIT建立三维数值模型。由于船的左右对称性，取1/2流场进行计算，取右手坐标系O-XYZ，坐标原点O位于艉柱基线高度，X轴指向船首为正，Z轴垂直向上为正。整个计算域呈1/4圆柱，入口边界选取在离船前1个船长处，出口边界取在距船尾2倍船长处，船侧和深度半径取1个船长，对称面上设为对称边界。考虑自由液面的影响，设空气层的高度为2倍水线面高度，在自由面追踪上采用流体体积(VOF)方法，流场计算方法采用SAMPLE算法，时间方向上采用一阶格式隐式求解，空间方向上采用二阶迎风格式计算模型。

计算域的网格划分过程中，整个计算域网格数在120万左右，采用了结构化与非结构化网格结合的方式进行网格划分。为了较准确地捕捉船体附近流场特性，在靠近船体区域设置较密网格，然后成一定膨胀系数向外布置。该方式使网格数目大幅消减，节约计算时间，提高计算效率。

4种不同横剖面面积曲线的新船型在设计航速相同情况下实船的有效功率数据见表1，其中Fn为船舶傅汝德数，PE为有效功率。母船在设计航速时有效功率为190.16 kW。

表1 实船有效功率

从4种新船船型数值模拟计算结果可以得出，新船型继承了母船型良好的阻力特性，其中新船Ⅲ优化效果显著，有效功率降低达2.84%，其型线图如图1所示。

图1 拖虾船线型图

3 讨论

母船改造法是传统的船舶设计方法。它具有使新船型继承母型的一些优秀特征，并且方法简单和实用的特点，在船舶型线改造设计中被广泛应用。母船改造法要求已知母型型线的详细描述，由设计者指定设计船型的前、后体的棱形系数;同时它假定母型和子型的中横剖面系数相同，通过改变母型的平行中体长度和进、去流段的棱形系数来得到具有设计要求的方形系数或棱形系数的新船型。

型线设计要考虑船舶良好的航海性、总布置要求、船体结构合理和公益性、外观造型，此外还应该满足型线设计精度的基本要求。随着计算机软硬件条件的不断改善，计算机仿真技术的引入，使以往传统的船舶设计、性能计算得到改进，进入一个科技含量更高的解析时代。计算流体动力学(CFD)在船舶工程领域发挥着越来越重要的作用，设计人员可以在较短的时间内，利用CFD技术，精确地对船舶绕流场进行数值预报，分析船体的水动力性能。目前虽数值模拟不能完全代替传统模型试验，但是通过计算典型工况，分析优化确定较优的船型，可避免模型试验的盲目性，缩短了试验周期，节约了成本。本文利用母船改造法与数值模拟相结合的设计思路，对4种不同船型性能曲线进行仿真模拟，从中选出满足给定性能指标的最优船型。图2、图3可以直观的体现船体水动力诸多特性。

图2 压力云图

图3 自由液面

母船改造法型值人工生成插值生成型线的方法，工作量大，效率低。如何使用计算机通过人机交互的形式，实现船体型线的设计生成，使现代化高效率的程序在船舶设计中更加广泛有效的得到应用，是今后船型优化研究工作的目标。开发自动生成的计算程序，通过电子计算机的快速运算，使之能在满足设计要求的前提下得到实用、光顺而且优美的船体型线，可以减轻设计人员的工作强度，提高设计效率和设计质量，缩短造船周期。

4 结语

母船改造法生成型线，主要改造内容有主尺度变换、横剖型线和水线形状的改造、横剖面面积曲线的改造、设计水线以上的型线、静水力计算等。由于受诸多参数影响，存在不确定性，本文仅通过改造横剖面面积曲线得到优化船型。理想的船型最优设计需要仿真计算与最优化理论和方法进行有机的结合，组成多个典型计算工况，自动循环搜索最优船型的数值，经过分析优化选取确定最优船型，船模型试验给予进一步的验证。

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