一种快速评估方法在船舶线型优化中的应用

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1、50卷第4期（总第188期）中国造船Vol.50No.4(SerialNo.188)2009年12月SHIPBUILDINGOFCHINADec.2009文章编号：1000-4882(2009)04-0007-06一种快速评估方法在船舶线型优化中的应用陈京普，朱德祥，何术龙，黄少锋，杨奕(中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082)摘要采用一种势流兴波数值优化方法与RANS求解器的优化结合的方法对某中速船的首部进行线型优化，以便使其速度达到设计要求。经过多轮数值优化试验，取得一个优化方案。最终的优化方

2、案经模型试验验证，总阻力下降约2.7%，预报航速提高约0.4kn。关键词：船舶、舰船工程；非线性兴波；RANS；线型优化；CFD中图分类号：U662.9文献标识码：A0引言用于船舶阻力预报及船型优化的CFD方法主要有两类：基于势流的兴波数值预报的优化方法和基[1~3]于粘性流场RANS求解的优化方法。已经有不少成功应用势流兴波数值方法进行船型优化的先例。[4~7]近些年来我国部分研究院所及船厂也在船舶势流兴波数值方法的研究与应用上，取得了不少进展。随着计算机能力的进一步发展，考虑自由面效应的粘流求解(

3、RANS)已经较广泛地应用于船舶研究与设计，粘流CFD计算结果数据信息量丰富，不仅可以进行船体阻力、自由面以及伴流计算，还可以考虑[8,9]船、桨、舵以及附体相互干扰。近年来的研究资料表明，考虑自由面效应的RANS求解器预报精度有很大提高,应用范围在逐步扩大，而且某些研究机构已经将RANS求解器应用于实际船舶的线型优化[10]，不过这种运算对计算机的要求很高，文献[10]提及的船型优化系统依赖于64个CPU的并行机。近些年来,国内通过对商业软件的开发应用,也将考虑自由面效应粘流CFD计算在水动力学问题

4、的某些[11,12]范围得到有效应用。某中速船在给定功率条件下，原始线型的预报航速低于设计航速0.3kn，为此须进行线型优化。该船是一种比较特殊的船型，其方型系数Cb在0.75左右,与三大主力船型的方型系数范围有较大区别。由于同类船型的资料较少，时间又紧迫因此如何优化这条船将是一次很大的挑战。在较短的时间内，要完成线型优化方案、船模修改，水池试验等一系列工作，唯一可以争取的是线型优化时间。传统的单纯依靠经验的优化方法效率较低，很难按期完成任务。为此本文引入计算流体力学手段,用于这条中速船的线型优化。收

5、稿日期：2008-05-14;修改稿收稿日期：2008-08-208中国造船学术论文1优化方案对于这条船的优化主要从首部线型出发,选择兴波阻力作为目标函数。兴波的预报，可选择势流兴波预报方法或者考虑自由面效应的RANS求解器。如果采用计及自由面效应的RANS求解器，则计算时间过长、难以保证时间节点的要求。本文采用势流兴波数值计算预报船体兴波，通过波形分析,评估改型方案的优劣。由于势流兴波数值方法只能预报兴波情况，为判断优化方案是否会引起粘压阻力的增加，本文还对选定的优化方案用RANS求解器计算其叠模阻

6、力(不考虑自由面)，以检验优化方案粘压阻力的变化。2势流兴波数值方法受约束的船舶以常速U沿x轴的正向运动，o-xyz为固定在船上的直角坐标系，xy平面与静水面重合，z轴垂直向上。在o-xyz坐标系中流动为定常势流，忽略表面张力的影响，水域为无限深，船舶绕流速度势为φ。根据以上假设，船舶绕流场速度势φ满足Laplace方程以及自由面、船体表面和辐射条件等三个边界条件。求解兴波问题的一个难点就是自由面边界条件的非线性，且自由面初始位置不可知。通常采用线[13~15]性化逐项迭代的方法处理，即在一个已知基本

7、解的基础上对自由面边界条件线性化处理。假设本次迭代的结果是对上一次迭代的小扰动，进一步对这小扰动做线性化处理，在上一次迭代得到的自由面上满足边界条件。因此这样每次迭代均是线性问题，求解线性问题后就可以更新基本流动和自由面，然后开始下一次迭代。数值求解过程，将船体和自由面的离散为四边形单元，自由面的离散采用静水面上的贴船体水线网格。将物面和自由面离散后，先求解基本流动φ对应的流场。然后利用扰动速度势ϕ满足线性化自由面条件，求解扰动流场,进而可求解出总的自由面流动。下一次迭代开始时则采用上次迭代所得的总的

8、自由[13]面流动作为基本流动,进入本次迭代。经过若干次迭代，直到波面与联合自由面边界条件收敛为止。计算中自由面划分范围如下：船首向前取0.5L，船尾向后取1L，舷侧取0.7L，L为船长。自由面纵向网格划分按照每基本横波长内分布25个面元，横向则采用渐变网格划分形式。3粘流CFD方法3.1控制方程控制方程为三维不可压缩RANS方程，张量形式的连续性方程和动量方程可以分别写为式（1）和式（2）：∂ui=0(1)∂xi∂∂uuii∂∂p⎛⎞∂ui''ρρ+=