加权融合方法在船型开发中的应用

2021-12-12孙文愈郑安燃

舰船科学技术 2021年11期

苏甲，孙文愈，郑安燃，徐伟

(中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011)

0 引言

船体型线设计一直以来是船舶设计过程中最关键一环，对船舶的能效和排放水平影响很大。特别是近年来，随着国际海事组织对船舶的能效水平提出一系列强制指标要求，船舶的能效和排放水平对船舶设计的影响将会越来越大，船体型线设计在船舶设计过程中扮演了越来越重要的角色。

型线设计最初的设计手段为传统的母型改型法和系列图谱法。随着优化方法和计算机数值模拟方法的发展，把型线设计优化和数值计算评估相结合，从而迅速获得优秀船型方案成为主流[1-3]。

与此同时，先进的船型变换技术被开发并应用于船型开发中，除了传统的Lackenby变换外，自由变形方法[4-6]径向基函数法[7-8]等新形变换方法也在各种船型的变换与优化中发挥了十分有效的作用。另外，通过将船体外形进行半参数化与全参数化，通过变化参数来调节线型的参数化优化方法，也在设计过程中广泛应用[9-11]。

这些优化方法主要是基于某一母型船型基础上进行优化，无法兼顾多型优秀船型的一些优秀特征进行船型设计。在多船型特征融合方面，冯佰威等[12]曾通过将不同球鼻首进行加权融合，开展了优化兴波阻力性能的研究工作。中国船舶科学研究中心近期研发了全局或局部区域融合的设计方法，该方法在具有多艘母型船的条件下，可以综合多个母型的优秀线型特征，从而快速得到性能优秀的设计方案。本文基于该方法开展了一肥大船型的优化设计工作。

1 船型设计的加权融合方法

船型融合设计方法是基于多种船型的信息特征，将已有船型按照不同的权重进行组合的一种方法。该方法首先将船型几何信息按照一定的规则转换成点云矩阵Sj(j=1,2,···,n)，类似shipflow使用的OFFSET文件形式，然后用一定的算法将点云矩阵进行融合。加权融合是最简单的融合算法，以Sj(j=1,2,···,n)为融合所需的n个优秀基础船型的点云矩阵，wij(i=1,2,···,m,j=1,2,···,n)为权重矩阵，m为融合所生成的船型数量，以Ti表示生成的目标船型，则融合过程可以表示为：

简单来说，将主尺度一样的2个母型船按照不同的权重系数进行融合，可以得到一系列不同的船型。若以20%为一权重系数差量，可以得到4型不同线型，其某一横剖面的融合效果见图1。图中左右2条粗线分别为2个母型线型的横剖线，中间4条横剖线分别为融合得到的4条横剖线。基于船型融合方法得到的线型，可以保留不同母型线型的优秀特征，从而可能得到更加优秀的融合船型。船型融合还有另一个用途，就是在专家经验认为某一变化趋势有利，但是并不能确切地掌握变化程度时，可以先变化出一个趋势较大的线型，再利用原有线型和变化线型进行加权融合，从而得到一系列变化较为均匀的系列线型，经过数值计算评估，从而得到想要的效果最佳的线型方案。本文将采用加权融合方法利用2个母型线型进行船型开发，以阐述该方法的应用过程，研究该方法的一些应用特点。

图1 四型线型融合效果图Fig.1 The effect of 4 merged lines

2 应用案例

2.1 数值评估方法简介

本文对于变换的线型采用了一种快速求解方法来评估快速性能。该方法首先采用势流兴波数值预报方法[13-16]计算船体的兴波阻力和波形，再利用粘流数值方法获得船体周围和船尾的流场。粘流数值求解时使用显式代数应力模型（EASM）；控制方程使用有限体积法离散，其中对流项使用ROE差分格式，扩散项采用中心差分格式；离散得到的差分方程组具有耦合性，使用ADI方法求解线性方程组[17]。

2.2 两优秀线型融合

采用基于加权融合方法的船型融合方法，对两型具有不同特征的线型进行融合。本案例采用的2个母型船的各站横剖面对比见图2。

图2 两母型线型对比Fig.2 The comparison of the 2 prototypes

对两线型进行加权融合。以20%为一权重系数差量，得到4型不同的融合线型（M001～M004），各线型的主要横剖面对比见图3，融合权重及主要尺度参数对比见表1。可以看到，融合线型的方形系数Cb和浮心纵向位置Lcb均分布在两母型之间。从图4的分布来看，浮心纵向位置总体呈线型，与权重匹配较好，方形系数虽然与权重系数相对单调，但是线性关系不强。

图3 两母型和融合线型的对比Fig.3 The comparison of the merged lines and 2 prototypes

表1 不同船型融合权重及无量纲主尺度对比Tab.1 Comparison of fusion weights and dimensionless principal dimensions of different ship types

图4 融合线型Cb和Lcb分布图Fig.4 TheCb andLcb distribution of merged lines

对各线型开展模型尺度的快速性能数值模拟，得到的总阻力系数Ct和推进效率ηd分别见表2和图5。结果显示，对于两母型船，线型A的总阻力系数比线型B低，线型B的推进效率比线型A高。

表2 线型数值模拟结果对比Tab.2 Comparison of linear numerical simulation results

图5 各线型数值模拟得到的阻力系数和收到功率对比Fig.5 The resistance coefficient and delivered power comparison of different lines by CFD

从经验常理上看，融合线型的性能可能与线型权重的插值基本相一致。但从数值结果看，并不完全符合。对于融合线型，M001和M002这2个融合线型的总阻力系数均比原型低，而M003和M004的阻力系数也比两母型船阻力系数的线性插值低。在推进效率方面，4个融合线型的总趋势是线型B的权重越高，推进效率越高。但是有2个例外，M001的推进效率比线型A低；M002的推进效率比M003高，且是融合线型里唯一推进效率高于线性插值的线型。

图6是两母型船舷侧波形对比，可以看到线型A的前体和中体前后的舷侧波形更低，虽然船尾兴波稍大，但是总体舷侧波形比线型B更优。这与线型A的阻力系数更低是一致的。另外，线型A和线型B在船中附近同一位置的舷侧波形相位接近相反，即波峰波谷位置相互错开，这就给融合线型的船中附近波形互相抵消提供了可能。图7为两线型以及各融合线型的舷侧波形对比。首先可以看到，各融合线型的舷侧波形均位于两母型船之间。另外，M001线型船中的舷侧波形表现出了类似两母型波形相位互相抵消的趋势（见图8），比两母型船均有改善，因而阻力系数比两母型均有降低，是各船型中最低的。因此，可见加权融合方法可以从舷侧波形相位相反的两母型船中得到波形互相抵消的优秀融合线型。

图6 两母型船舷侧波形对比Fig.6 The wave pattern comparison of 2 prototypes

图7 各线型舷侧波形对比Fig.7 The wave pattern comparison of 2 prototypes and merged lines

图8 两母型船及M001船中附近舷侧波形放大对比图Fig.8 The detailed wave pattern comparison of 2 prototypes and M001

图9为各线型桨盘面纵向伴流云图和横向伴流矢量投影图的对比。可以看到，随着线型权重的变化，伴流总体呈现一定的规律性。随着线型A权重逐渐降低，桨轴正上方的伴流峰越来越小，如图10所示。伴流场的周向分布越来越均匀，有利于推进效率的提高。另一方面，随着线型A权重逐渐降低，在桨轴斜上方的舭涡逐渐增强，从M003到线型B，舭涡已经非常明显，且舭涡中心逐渐向桨轴上方、外半径移动，可能会对最终的螺旋桨设计造成影响。综合来看，M002的伴流，其将盘面上方的伴流峰值有一定的降低。同时，其舭涡并未充分发展和上移，继承了两母型船伴流场各自的优点。因此，加权融合方法可以继承母型优秀伴流特征的线型。

图9 各线型桨盘面纵向伴流云图及横向伴流矢量投影图Fig.9 The wake comparison of the merged lines and 2 prototypes

图10 1.0倍半径处纵向伴流的周向分布对比（180°为桨轴正下方）Fig.10 The comparison of longitudinal wake distribution along the circumference of 1.0R

最终对各船型的快速性优劣判断以船型的收到功率为准，在本文中可以以无量纲化的物理关系Ct/ηd*Carea来作为对比的物理量，不同线型的该无量纲物理量相对大小见图11（以线型A的值为100%）。最终收到功率最小的线型为融合方案M002，相比两母型性能提升了1%以上。该线型总阻力系数比两母型都低，同时，该线型的推进效率比M001和M003都高，是融合线型里唯一推进效率高于线性插值的线型。其自由面波形只比M001稍差，与线型A相当。其桨盘面伴流峰值比线形A低，同时，也没有较为明显地舭涡。