基于CFD的船体球艏线型水动力性能优化研究

王超　饶然　郑锐聪

摘要[1]：基于iSIGHT优化设计平台，结合SHIPFLOW软件，以最小兴波阻力为目标，构建了一种基于阻力最优的的球艏线型优化方法。该方法集成了船型变换方法、阻力评估及优化算法。通过对某内河集装箱船球鼻艏区域开展优化，使兴波阻力明显下降，总阻力也随之降低。研究表明，本文的方法适用性较强，对船型设计具有一定的实用价值，在基于CFD的船艏线型优化方面具有广阔的应用前景。

关键词：计算流体动力学;船型变换;水动力性能;自动优化

中图分类号： U661.43         文献标示码： A

Hydrodynamic Performance Optimization of Hull Bow Line Based on CFD

WANG Chao RAO RAN ZHENG Ruicong

（1. Jiangmen Hangtong Shipbuilding Co.， Ltd. of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.，Jiangmen 529145， Ltd.; 2. Guangzhou Haigong Ship Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 511495）

Abstract：In this paper， based on iSIGHT multidisciplinary optimization platform and SHIPFLOW software， an optimization method of bow line based on optimal resistance is established to minimize wave-making resistance. The method integrates the bow transformation and automatic generation technology， resistance evaluation and optimization algorithm. The optimization of bulbous bow area at the bow of an inland river container ship is carried out. The results indicated that the wave-making resistance of hull line decreases obviously and the total resistance also decreases.It shows that the method developed in this paper has strong applicability， has certain practical value for hull form design， and has broad application prospect in bow line optimization based on CFD.

Key words：CFD; Hull transformation; Hydrodynamic performance; Automatic optimization

1 前言

隨着双碳工作的推进以及海事法规对于船舶碳排放控制日益严苛，节能船型的研究与发展越来越受到关注。而线型优良的船舶，能更好地满足规范关于能效指数EEDI的要求和社会对碳减排的诉求，因此阻力性能优良的船体型线设计越来越得到重视。

球艏的减阻机理，主要为合理设计球艏参数，在一定航速范围内，使球艏兴波波系和船体兴波波系产生有利干扰，降低合成波波高，从而达到减阻增效的目的。

球艏设计通常需要考虑船舶的方形系数、尺度比系数、横剖面的UV度及球鼻艏与主船体型线的配合情况等各种因素。球艏的设计优化，通常为基于模型试验多方案优选，成本高、周期长，且难以获得最优设计方案。

随着计算流体力学（CFD）在船舶性能领域的快速发展，船型阻力的预报精度和计算效率大幅提升，已成为船舶航行性能评估分析的重要工具。目前船型水动力性能优化研究的关键，在于船型变换及自动生成技术、快速而准确的性能评估器、自动优化算法的使用等方面，国内外已开展很多研究，如何开发基于CFD的阻力评估、线型自动变换技术和自动优化算法融合，是当前线型开发研究的一个重点。

iSIGHT是过程集成和优化设计的软件平台，通过将数字技术、推导技术和设计探索技术有效融合，把需要大量人工完成的工作由软件自动处理实现，在多学科优化软件中的市场占有率位居首位。将船体曲面的参数化修改模块和基于CFD的阻力计算模块在iSIGHT框架下进行集成，通过以命令行参数方式执行脚本命令，驱动船体曲面的参数化修改模块及阻力计算程序的自动调用，从而实现过程集成。

本研究基于iSIGHT优化设计平台，结合 SHIPFLOW 软件，构建了一种基于阻力最小的船艏线型自动优化方法，该方法集成了船型融合变换及自动生成技术、基于CFD船型阻力评估技术和混合优化算法。通过对某内河双艉集装箱船开展阻力评估和艏部线型优化分析，优化后线型相比原始线型兴波阻力明显下降，有效提升了原船的阻力性能，验证了本文方法的可行性，为基于CFD的球艏线型优化提供技术支撑。

2 船型参数化变换方法

进行船艏线型的优化研究，首先要选择合适的方法修改船艏的几何形状，以通过较少的变量生成不同参数的船艏，并考虑船艏线型与主船体线型进行光顺连接。为此，本文开发了基于NURBS曲线的船型变换的融合算法。该算法建立现有母型船数据集合，通过调节不同母型船的融合系数即权重因子，产生系列组合变换的船型;在船型融合变换过程中，保证不同线型母型船的权重因子总和为1，即

式中：m为母型船参数;P为船型变换所需要的控制点坐标;P_i为母型船原始线型的控制点坐标;C_i为权重因子。在融合变换过程中保证：

从上述船型融合变换的基本过程可知：通过调节不同母型船的权重因子融合变换后生成的新的船型，总是在以母型船为边界所构成的船型空间内;由于原始母型船的船型各不相同，经融合变换后生成新的船体线型也必然是多样的。

3 基于CFD的阻力数值计算

本研究采用SHIPFLOW软件，进行船型阻力性能的数值模拟。该软件针对船舶阻力中的三类成分（兴波阻力、摩擦阻力和粘压阻力），将船体绕流场划分为势流区、薄边界层区、粘性流区三个不同的区域，分别采用不同的理论模型进行模块化计算与分析，该种求解技术称之为ZONAL法：

1. 势流区

基于高阶面元法的势流理论，计算船体兴波阻力，区域范围涵盖了整个船体及其自由液面。

1. 薄边界层区

采用动量积分方法得到前2/3 船体上的摩擦阻力。

1. 粘性区

采用RANS方程和湍流模型求解，区域范围包括船体的后部以延伸到下游至整个的流体区域。

与传统算法相比，通过采用分区分步求解的ZONAL法，保证计算精度，缩短计算周期，提高计算效率，最终得到船舶航行的总阻力。

对于给定的船速，粘性阻力和船舶湿表面积相关，因此船型改变不大时粘性阻力减小的可能性不太;相反，对于航速较高的船型，球艏的变化对于改变兴波阻力非常敏感。SHIPFLOW中，兴波阻力计算采用面网格（流场空间是否足够），网格单元划分如图1所示：

4 优化实现过程

4.1 数学模型

对于本文研究船型，受制于船体湿表面积及排水量等约束因素， 粘性阻力改善空间不大。因此，本文以船舶兴波阻力作为目标函数，通过兴波阻力的大幅减小，带动船体总阻力的改善。

4.2 优化算法

本研究优化算法采用遗传算法GA与序列二次规划法NLPQL相结合的混合算法：首先采用遗传算法进行初始设计空间的探索，找到近似最优解;在此基础上，利用序列二次规划法进行局部优化。混合算法的具体步骤，可参照文献^[10];算法流程，如图2所示：

4.3 自动优化流程

船艏线型的自动优化流程，如图3所示

1. 基于船型变换的融合算法，通过调整不同权重因子，生成新的船體线型;
2. 自动生成shipflow计算所需要的船型数据文件。首先进行静水力计算，并判断是否满足约束条件，若满足则计算船体兴波阻力;反之则返回第（1）步，继续修改船型方案;
3. 以最小兴波阻力为目标，选择混合优化算法，进行船艏范围内的船型优化;
4. 若已达到遗传次数收敛条件，以兴波阻力最小为目标，输出优化线型;否则修改变量返回第（1）步。

5 优化实例

5.1 算例简述

以某内河集装箱船为例，进行设计航速为Fr=0.183下的船艏水动力性能优化。计算采用船模尺度及实船主要船型参数见表1，型线图见图4所示：

5.2 优化结果

首先开展基于CFD船型阻力预报与验证，验证结果和基于水池试验的结果进行对比分析。从计算结果来看，总阻力数值计算结果与试验结果非常接近，曲线趋势一致，最大误差为4.1%，说明数值计算方法具有较高的精度。

优化过程采用文中的自动优化方法，优化结果如表2所列;优化前后船艏型线，如图5所示：

从表2对比结果可以看出，优化后船体兴波阻力下降了9.8%，总阻力下降2.3%，达到了首部线型自动优化的目标。

6 结语

本文基于 iSIGHT 优化设计平台，结合 SHIPFLOW 软件，以最小兴波阻力为目标，构建了一种基于CFD的船艏线型自动优化方法。通过对某内河集装箱的艏部区域优化结果显示，优化后船舶的兴波阻力及总阻力明显下降，达到了预期目标。

参考文献

1. 李 路， 芮晓松. 论EEDI（船舶能效指数）的强制实施的合理性[J]. 中国造船， 2011， 52（s1）： 33-37.
2. 陈京普， 朱德祥， 刘晓东. 兴波阻力数值预报方法研究及其在集装箱船船型优化中的应用[J].水动力学研究与进展（A辑）. 2006， 12（1）：113-121.
3. 程红蓉，陈京普，王艳霞，等. 几种船型优化手段在节能船型开发中的应用 [J]. 中国造船， 2012， 53 （s1）： 31-39.
4. 方昭昭， 朱仁传， 缪国平，等.基于数值波浪水池的波浪中船舶水动力计算[J]. 水动力学研究与进展（A辑）， 2012，27（5）：515-524.
5. 邓锐， 黄德波， 周广利， 等. 影响船舶阻力计算的部分CFD 因素探讨[J]. 船舶力学， 2013， 17（6）： 616-624.
6. 赵峰， 李胜忠， 杨磊， 等. 基于CFD的船型优化设计研究进展综述. 船舶力学， 2010， 14（7）：812-821.
7. ZHANG Bao-ji， MA Kun， JI Zhuo-shang. The optimization sduty for hull form of minimum wave-making resistance based on Rankine Source method [J]. Journal of Hydrodynamics （Ser.B）， 2009， 21（2）：277-284.
8. 钱建槐， 毛筱菲， 王孝义， 等. 基于CFD和响应面方法的最小阻力船型自动优化[J]. 船舶力学，2012，16（1-2）：36-43.
9. 刘祖源， 冯佰威， 詹成胜. 船体型线多学科设计优化[M].北京：国防工业出版社，2010.11
10. 邓贤辉， 方昭昭， 赵丙乾. 基于计算流体动力学的最小阻力船型自动优化[J]. 中国舰船研究， 2015， 10（3）： 19-25.