基于快速性的船型优化及其在三用工作船中的应用＊

李俊来 谢永和 吴卫国 陈景昊

（浙江海洋学院船海学院1） 舟山 316022） （武汉理工大学交通学院2） 武汉 430063）

0 引 言

三用工作船是一种集海上拖带、平台供应、对外消防等功能于一体的多功能船舶，兼有海上救助、海上平台守护、帮助海上设施布锚及起锚等功能［1］。这类船大部分作业都是后甲板进行的，经常要经受风浪流的联合载荷作用，甚至需要在恶劣天气下作业；另外，其船体小及干舷低，受风浪影响大，在风浪中摇晃厉害，甲板面特别是后甲扳在天气恶劣时上浪严重.

近年来，世界各国海上油气田资源的争夺和开发日益激烈，相关装备产业也快速升级，三用工作船作为最主要的海上油田辅助工程装备，已经成为当前国内外争相发展的重点.鉴于其高科技含量和特种作业的复杂性特点和以往工作中多发事故等因素，为确保三用工作船能安全正常高效地工作，使之能在复杂的海况条件下及时配合海洋工程作业，对船型进行深入细致的船型优化研究必将受到人们的重视.

1 CFD船型优化技术的内涵

船型优化设计实际上是一个最优化问题，从数学的观点来看，其数学模型描述如下：

式中：f（x）为优化问题的目标函数；g（x）为约束函数；x为设计变量；集合D为设计空间［2］.在船型优化设计时，目标函数f（x）就是船舶的各项水动力性能，如船舶阻力、纵摇、垂荡等；用来控制船体几何并能够根据优化算法进行调整的的参数为设计变量x；船体几何外形的限制条件即是约束条件g（x）.优化问题的设计变量与目标函数之间不是简单的数学函数映射关系，联系二者需要通过船型优化问题中的CFD工具［3］.基于CFD的船型优化问题其内涵就是在给定几何约束条件下，求解船体几何参数最优性能目标，从而获得最优船型.

CFD船型优化技术涉及到了CFD技术、优化技术、船体几何表达及重构等技术的船型优化，关键是在如何形成一个自动化的优化平台以及如何建立这些功能模块之间的联系，从而成功实施船型优化.

ICAO组织针对标称失真提出了2-OS模型，失真模型可分为三类：数字失真、模拟失真和混合失真.数字失真发生在有效载荷基带信号产生单元的数字部分，发生数字失真时伪码信号中正码片和负码片的时间宽度不再相等.模拟失真是描述导航卫星有效载荷通道特性的模型，它包含两个衰减因子σ和振荡频率fd参数，模型的s域表达式为：

CFD的船型优化方法涉及到多个技术领域，要在一个平台上体现这些技术的综合集成，并实现自动化操作，由于所涉及到的技术领域实际上大部分已经相当成熟，已有的成果可以直接应用，可通过由简到繁逐步深入的方法来逐步进行实际操作.适用船型优化的具体优化流程见图1［4］.

2 CFD数值模拟优化

图1 基于CFD的船型优化流程

本文主要以78m三用工作船为研究对象进行优化比较研究，旨在为今后类似工程船舶开发和设计提供一个数据参考.本优化船舶为钢质，单甲板，单机，单桨、单舵、艉机型柴油机推进，具有球首，能为海上石油工程提供多种特点作业服务的三用型守护船，航行于无限航区、近海航区.

根据船体型线建立船体模型，进行控制域网格划分，共计单元571 386个单元，船体区域网格划分如图3至图4所示.基于CFD数值分析的阻力信息提取见图5.

其次，是要备好学生。学生是教学的主体，教师在备课时势必要充分地考虑到学生因素。具体而言，学生的个性发展差异、认知水平差异、兴趣爱好差异、特长与不足上的差异等，都是教师在备课时可以综合考虑的问题，表现在教学计划中，即可以有：对不同基础的学生设置不同的教学任务；在具体的数学课题中安排擅长这类课题的学生来解答或请其在黑板上解题并讲解；灵活安排某些状态有点松懈的学生的表现，提携其学习状态；注重在教学中给以那些比较拘谨、不爱表现的学生以心理的勉励并为他们提供适宜的表现机会；等等。

2.1 船型优化前后对比

在设计航速Vs＝15kn时，优化前后船舶阻力变化对比见表3.

表1 优化前后船体主尺度比较

图2 船体线型优化前后比较

2.2 建模及船型数据提取

2.公司层面与业务层面的共同点。公司层面与业务层面的共同点主要体现在三方面。一是控制遵循的原则基本一致。即都要遵循全面性原则、重要性原则、制衡性原则、适应性原则、成本效益原则；二是控制实现的总体目标是一致的。即都围绕实现生产经营目标、财务目标和合规目标而实施；三是防范的基本风险是一致。即主要为了经营风险、防范战略风险、法律风险和财务风险。

图3 船体网格划分

图4 船体首部网格局部放大示意图

图5 船型数据的提取过程

3 优化结果与数据分析

根据优化前后CFD数值计算的船体表面压力值和摩擦阻力值，进而计算船舶各部分阻力见表2.

根据数值模型计算后船舶各部分阻力结果，分析比较船体阻力情况见图8.

图6 水平面绕船压力云图

鉴于三用工作船的属低速船，船舶阻力中摩擦阻力占据了绝大部分，虽然优化之后船舶兴波阻力有所增加，但总体来说，船舶阻力下降的趋势非常明显，所以此优化结果可以改善三用工作船的阻力性能.

图7 水平面绕船压力云图

3.1 优化数值模型阻力性能比较

船体表面压力分布会影响阻力计算的精度［5－9］.通过CFD数值计算得到不同航速下绕船体的粘性流场物面压力数值.图6～图7分别给出了部分船体表面总压力分布计算结果云图.

表2 优化前后船舶各项阻力比较

3.2 结果比较和分析

制冷系统和配电系统是数据中心中能源消耗最大的两个系统，相对于这两个系统而言，其他系统或设备如消防、监控、环境照明等的耗电量几乎可忽略。因此，可推导出以下近似公式：

图8 优化前后船舶总阻力比较

根据优化设计指标要求，综合考虑L／B和船首线型变化对快速性、耐波性的影响，对三用工作船进行几何外形优化重构，得到新的船型主要要素与原船型对比见表1.船体优化前后线型变化见图2.

表3 设计航速下优化前后阻力比较 kN

从图中可以看出，随着航速增加，船舶航行中首部往后至船中前，表面压力随之增加，船体尾部压力也有增加，但增加值不如首部大.计及升沉及纵倾后，船体表面压力计算值能够更好地反映船体姿态变化的影响，从而得到比较精准的阻力值.

4 船模试验验证

本次试验对象是优化后的三用工作船船模，在浙江海洋学院船模拖曳水池进行了船模静水阻力拖曳试验研究.试验船模主要尺度见表4.

在鱼、蟹、甲鱼等养殖中，也可以套种一些青虾、黄鳝等新品种来养殖。还需要促进整体的混合养殖，将龟、蟹、青虾等养殖品种和鱼类进行混合养殖，可以将其中的一个品种作为主体，并在有限的水体资源中充分应用，将达到经济效益的提升。

船模试验采用木制船模，在艏垂线（艏柱前缘与设计水线交点处的垂线）后1／20垂线间长处安装1mm的激流丝，阻力试验按要求做了两个载况（设计吃水载况和结构吃水载况）.试验的船模外型见图9，船模压载到设计吃水载况见图10.

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表4 参试验船模主要尺度数

图9 船模首部

图10 设计吃水载况状态

对不同速度下的船模试验阻力结果以及换算得到的相当速度下的数值分析数据比较见表5和图11.

表5 船模CFD模拟与船模试验结果对比

图11 船模CFD模拟与船模试验结果对比曲线图

从表5与图11中可以看出，在低速情况下，Fr在0.076～0.229时，经CFD数值优化的模拟数据与船模阻力试验结果基本上都吻合，结果误差相差很小，Fr从0.267以后，CFD优化的结果与试验验证结果差异逐渐拉开，即航速持续加快后，CFD优化的结果偏差比较大.

本文采用CFD数值方法计算了2条三用工作船（原型和改进型）的阻力性能.考虑三用工作船的作业服务特点，要求低速（≤15kn）巡航于海上石油平台附近，为海上石油平台提供物资和材料等工作要求［10］，通过计算值和试验值的数据对比可知，在一定弗劳德数范围内CFD数值模拟结果能很好地显示船型变化对阻力性能的影响，因此基于快速性的CFD技术在三用工作船的船型优化应用中可以取得比较好的效果.

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