21万吨散货船艏部型线优化设计及阻力计算

王璐璐

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

21万吨散货船艏部型线优化设计及阻力计算

王璐璐

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

FRIENDSHIP-Framework是集CAD和CFD为一体的CAE系统平台，该平台为实现建立函数化曲面的仿真驱动设计而开发。在掌握FRIEDNSHIP-Framework的功能及其应用的基础上，以21万吨散货船线型优化为工程背景，运用Shipflow软件为计算工具，利用FRIEDNSHIP-Framework软件对船舶艏部区域进行局部线型优化设计，改善船首波形及船体表面压力分布，最终达到减小兴波阻力的目的。

散货船；兴波阻力；艏部优化；航速预报

0 引言

船体型线的优化设计是改善船舶性能的关键，对于船舶型线的方案设计和论证需要频繁地修改船型设计方案，能否快速生成多种目标线型成为了优化设计的关键。针对这种情况DNV·GL公司开发了基于仿真驱动设计的船型参数化设计系统FRIENDSHP-Framework，该软件能够在方案设计阶段就建立三维模型，通过参数设置快速建立多个方案所关联的三维模型，此软件的开发对于开发新型船舶和船舶方案论证都具有深远的意义。

完成型线优化后，需要对船舶进行性能验证，而船模拖曳水池作为研究船舶性能的重要手段一直在船舶型线的研究和设计中发挥着重要的作用，其结果至今仍是新船船型开发中不可或缺的重要数据。尤其是伴随着EEDI的生效，船模试验数据已经被应用到船级社颁发EEDI证书过程的计算中，但该方法也存在着一定的缺点：一是花费大，在水池做一次船模试验包括快速性和自航，进行压载吃水、设计吃水及结构吃水几个状态就要花费100万人民币左右；二是周期长，将线型提供给水池后，水池加工船模需要近一个月的时间，如果算上排队做船模试验的等候时间和实验数据处理分析的时间，船模试验的整个周期一般要在4～5个月左右，并且船模试验对水池具有很强的依赖性。

在船舶快速性性能计算领域，CFD已经成为船舶型线设计和优化的重要手段，在国内外各大船厂、设计院都得到了广泛应用。CFD与以往先制作船模再进行水池试验相比，船型开发的时间和费用都大幅度下降，有利于更好地提高所开发船型的性能，大大减少开发前期对船模试验水池的依赖。

1 软件介绍

FRIENDSHIP-Framework是集CAD和CFD为一体的CAE系统平台，该平台为实现建立函数化曲面的仿真驱动设计而开发。而FRIENDSHIP-Framework软件的求解器SHIPFLOW是造船界广泛认同的功能最全面完善的计算船舶阻力性能的CFD软件之一，是FLOWTEC公司、瑞典国家船模试验水池SSPA与CHALMERS工程技术大学共同开发并正在不断完善的一款CFD软件，它基于非线性自由面势流理论和雷诺平均N-S方程，能够完善地解决船舶阻力理论计算的问题。

2 船舶介绍

本船为单螺旋桨、艉机型散货船，可装载谷物、煤炭等。本船垂线间长294米，型宽49米，型深25.3米，设计吃水和结构吃水分别是16.1米和18.6米，在设计吃水CSR点下船舶服务航速为14.2节。

3 线型优化

在日本设计公司设计的21万吨线型基础上，对船舶艏部区域进行局部线型变化，改善船首波形及船体表面压力分布，最终达到减小兴波阻力的目的。

在船首240米到294米处建立一个控制面，如图1所示。通过控制面内选择合适位置的控制点，如图2所示，来变化艏部型线。

图1 船艏线型变化范围

图2 控制面内选取的控制点

设置两个参数分别为lower和higher，图2中下排的控制点坐标的Y值设为lower，将上排控制点坐标的Y值设为higher，这样就可以通过这两个函数变量来直接控制艏部的变形量。如图3所示，通过给函数lower和higher赋值改变艏部线型。

建立EnsembleInvestigation变换，给higher和lower函数各赋9个值，如图4（a）所示。自由组合后即生成81个方案，如图4（b）所示。

4 CFD计算

图3 艏部型线变化前后对比

图4 多方案EnsembleInvestigation变换

在利用CFD进行船舶阻力计算时，通常依据傅汝德假设，认为兴波阻力和粘性阻力是彼此独立的，且分别与傅汝德数和雷诺数有关。因此计算时依据势流理论，不考虑粘性而仅考虑自由表面影响计算兴波阻力，不考虑自由表面影响来求解粘性阻力。

进行CFD计算时，计算模型尺寸与实船相同，fn与Rn采用船模尺度下的数值，进行自由面的非线性设置，网格采用软件默认的FINE网格，在设计吃水16.1米下进行势流和粘流计算。

5 结果分析

5.1 兴波阻力分析

对生成的81个方案进行势流理论计算获得波形图和船体表面压力分布，其中第40个方案为未变形型线的计算结果。图5下半部分为未变形方案的波形图，上半部分为81个方案中波形最好的方案，通过两个方案的对比图可以看到优化后的方案波形要优于原方案，优化后的船型具有更平缓的波形，船体中部的波形得到了明显改善。

图6（a）为优化后的船体表面压力分布，图6（b）为型线变化前船体表面压力分布，可以清楚看到，优化后船体中部的表面压力趋于均匀，这样的压力梯度会减少漩涡的形成，从而改善粘压阻力的影响。观察船舶舷侧的兴波，优化后的船型具有更小的波浪，这与前面根据船体表面压力分布的分析结果是一致的。原型的船体中部表面压力有明显的低压区，位置高的低压区域会直接导致在其附近形成一个波谷，而且在同等情况下，压力越低，形成的波谷就会越大。原型船体表面的低压区域更大些且数值更低，这就导致了在其低压的几个区域形成若干个波谷，从而对整个波系产生不利影响。而两个船型在船体位置低一些的位置，低压区域大小几乎相同，所以在较低的位置减小兴波能量时两个线型没有太大区别。

经过CFD计算，得出变形前的兴波阻力系数为0.000 411 6，优化后的兴波阻力系数为0.000 394 3，可见经过艏部优化后的线型在兴波阻力上较原线型有一定地降低。

图5 自由液面波系比较（下方为原型，上方为改型）

图6 船体表面压力分布图

为了更形象地描述波浪的幅值，在船侧生成了纵切波图，如图7所示，发现优化后线型在船中部波峰和波谷的峰值得到了改善，这将有利于降低兴波对船体阻力的贡献。

图7 船体舷侧波分布图

从FRIENDSHIP-Framework优化结果来看，优选的方案兴波阻力明显下降。由于仅修改艏部线型，对艉部的螺旋桨伴流影响不大，总体来说，优化起到了一定的作用。研究表明，适当修改艏部线型，减小艏部的进水角能够更好地减小兴波阻力的影响。

5.2 航速预报

5.2.1 实船总阻力计算公式

根据IITC 1957推荐的方法进行计算：

式中Rns——Vs=14.5节时的雷诺数。

根据此公式，得到实船的摩擦阻力系数：

式中ks——船体表面粗糙度，水池取150× 10-6或125×10-6；

Lwl——水线长。

由此，计算得到船体表面粗糙度补偿值：

式中AT——水线以上船体及上层建筑在横中剖面的投影面积；

S——湿面积。

式中S——实船的湿表面积；

Sbk——舭龙骨面积；

Cr——船模剩余阻力系数；

CAA——空气阻力系数。

式中ρ——15℃下海水密度；

V——设计吃水下的服务航速，m/s。

根据螺旋桨敞水试验得到螺旋桨敞水性征曲线，如图8所示。从图中可以得到，进速系数J，敞水转矩系数KQ，敞水效率Etao和相对旋转效率Etar。根据公式tm=（T-R）/T，求出推力减额系数；根据公式ωm=1-JnD/Vm，求出船模的伴流分数；根据公式Etah=（1-tm）/（1-ωm），求出船身效率，最后根据Etad=Etao·Etah·Etar求得推进效率。

实船伴流分数为

1981年第十六届国际船模试验池会议建议：采用功率因子CP及转速因子CN进行修正，CP和CN的数值由各水池根据自己积累的经验统计资料决定，一般情况下：

CP=0.97CN=0.99（结构吃水和设计吃水）；

CP=1.00CN=1.00（压载吃水）。

最后根据计算结果画出功率、航速及转速曲线图。

由此得到实船的总阻力系数：

图8 螺旋桨敞水性征曲线

5.2.2 计算结果转化

经过CFD计算得到原型及优化后的数值，如表1所示。根据计算公式得到航速预报结果，如表2所示。

表1 FRIENDSHIP-Framework软件计算结果

表2 航速预报

经过计算可知原型和优化方案的排水量相差不大。表1中给出了原形和优化后的阻力系数。通过兴波阻力系数的比较可以看出，优化方案的兴波阻力系数较原型下降约4.2%，在航速为14.5节时实船总阻力系数下降1.7%（如表2所示）。

对已设计好但性能不够理想的船舶线型，通过局部改型来改善船舶阻力和节省能耗是一种行之有效的方法。

6 展望

本次优化只是针对艏部线型进行变化的，通过减小艏部进水角来优化自由面波形及减小兴波阻力，未来我们还可以进行以下几个方面的工作：通过艉部的型线优化来降低粘压阻力，进一步降低总阻力系数；通过优化浮心位置来降低总阻力系数；进行自航计算，通过优化艉部线型来改善螺旋桨盘面的伴流分布。

[1]王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]蔡荣泉.关于船舶CFD的现状和一些认识[J].船舶,2002 (1):29-37.

[3]MBrenner,CAbt,SHarries,等.有助于加快设计流程和设计绿色产品的Feature(特征)建模技术和仿真驱动设计[J].船舶工程,2011(2):1-7.

[4]陈伟,谢琪,朱加刚.CSR散货船艏艉结构改进[J].船海工程,2015(2):28-30+35.

［责任编辑：刘月］

The Optimizing Design of 210 000 t Bulk Cargo Ship Bow Mold Line and Resistance Calculation

WANG Lulu
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

FRIENDSHIP-Framework is a CAE system platform which integrates CAD and CFD as a whole,and it is developed to realize the driving simulation design for establishing function curve.On the basis of mastering the function and application methods of FRIENDSHIP-Framework,under the engineering background of 210 000 t bulk cargo ship mold line optimization,using Shipflow software as the calculation tool, the researcher makes the bow area part mold line optimizing design via FRIENDSHIP-Framework software,to improve the bow waveform and hull surface pressure distribution,and finally to reduce the wave resistance.

bulk cargo ship;wave resistance;bow optimizing;ship speed forecast

U661.1

A

：2095-5928（2015）05-43-05

2015-07-21

辽宁省职业技术教育学会2015-2016年度科研课题（LZY15070）

王璐璐（1982-），女，辽宁葫芦岛人，讲师，学士，研究方向：船舶与海洋工程。