集装箱船线型优化研究

2012-05-07 07:42周志勇魏菲菲

船舶与海洋工程 2012年3期

陈康，周志勇，魏菲菲

（上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 引言

传统的船体线型经验设计方法周期较长，较强依赖于线型设计人员的经验和母型船性能的优劣；引入CFD（计算流体动力学）技术并与传统经验设计方法相结合则能明显提高设计效率、缩短研发周期，大大提高目标船的快速性能。

通过对相关科研课题的攻关研究[1,2]，已形成了相应的船舶快速性能优化和设计准则，在船舶CFD技术的实用性方面取得了进展，并基于CFD技术在船舶线型设计和研究中形成了快速响应能力。基于该设计准则和流程研发的多个船型基本都能够一次模型试验即满足船舶快速性能指标，在与欧洲著名水池数据库中类似船型的性能比较中均处于优秀船型的级别。

2010年，国内某船厂在获得某型集装箱船（以下简称“某船”）的批量建造订单后委托国外某设计公司进行船体线型设计，后续的详细设计则由国内完成。考虑到国外公司所提供线型的专属性，上海船舶研究设计院（上船院）于2011年年初同步进行了该型船的线型开发，一可以充实船型数据库，二则随时满足市场上其他单位或机构对该船型的需求。

1 船型主要特征

某船的方形系数BC 值约0.675，长宽比 /L B值约5.9，宽度吃水比 /B T值约3.2，设计航速对应的傅汝德数rF约0.254，属中高速浅吃水船型。按照以往线型设计的经验，较小的 /L B值、较大的BC 值和 /B T值不仅不利于阻力性能，而且使螺旋桨尾流工作面积小，导致推进效率较低[3]；该船航速要求较高以及船型系数特征使得船体线型设计上存在一定难度。

2 线型设计

2.1 线型研发流程

在某船的线型研发过程中，依据已有的线型设计准则和流程，首先在船型数据库中依据目标船的船型系数如BC、/L B、/B T和设计航速等相关参数，选取合适的优秀母型船及船型系数相近的优秀船型若干型，在母型船基础上结合新船的特点进行变换，并形成初步线型。然后依据设计经验并参考相近优秀船型的线型特征对该船线型开展细致的改型。在改型的不同阶段结合船型优化软件和船舶 CFD软件进行针对性的优化和数值计算以指导和判断线型设计的方向。

2.2 母型选取

通过与船型数据库中相应船型的比较、分析，将某型集装箱船作为母型，按照新船主尺度的要求进行变换得到目标船的初始线型。母型船和目标船的一些主要船型参数比较如表1所示。

表1 母型船与目标船的部分参数比较

2.3 实施改型

较高的航速决定了该船的兴波阻力将在总阻力中占较大比重。因此该船的线型设计重点之一在于如何有效地降低船体兴波阻力成分。在初始线型基础上，依据设计经验对浮心位置、设计水线进流段形状、球艏逐一调整；同时进行相应的数值计算及优化，比较各个方案的波形、兴波阻力系数等要素并选取最佳方案，从而为改型提供方向。

在改型过程中进行的CFD优化计算通常分为全船的纵向排水体积分布的优化计算和针对船体局部的改型优化计算。这2种优化计算可以分别开展，也可以在一次优化计算中同时进行。

船体的纵向排水体积分布可以以横剖面面积曲线（SAC）的形式表现，而通过拉氏变换（Lackenby变换）可以实现 SAC曲线形状的变化，即通过拉氏变换来寻求与设计航速匹配的最佳纵向排水体积分布。某船的改型过程中也开展了基于拉氏变换的优化计算。优化计算前后的SAC比较如图1所示，波形及不同横向位置波高比较如图2、3所示（图3中Y为沿船宽方向至舯纵剖面的距离，L为船长，以下同）。结果表明优化后船体的兴波阻力能够降低约6.7%，针对纵向排水体积分布的优化计算取得了较好的效果。

图1 优化前后SAC比较

图2 优化前后波形比较（上方为优化方案）

船体局部的改型优化主要针对球艏、球艉等进行。由于具有高航速的特点，在改型过程中对球艏部分进行数值优化计算可以降低由于球艏导致的兴波阻力成分，从而提高整船的阻力性能。如图4所示，通过对船体球艏的高度、宽度施加Delta Shift变换实现对球艏的改型。在对每个改型开展数值计算之后则可通过比较获得较佳的球艏形状。图 5、6为优化前后波形及不同横向位置波高的比较。从图中可以清楚看出球艏形状优化之后波型有了明显的改善，阻力性能随之得以提高。

图3 基于拉氏变换优化前后不同横向位置处的波高比较

图4 球艏Delta Shift变换

该船的艉部线型设计重点是在满足机、桨、舵布置的前提下，协调船体阻力和推进效率以获得最佳的船体快速性能。采用CFD技术计算得到的船体阻力分量值及艉部伴流场分布，则同样可以作为艉部改型的指导。图7即为某船在改型过程中原型DES0000与优化方案 DES0018艉部桨盘面处速度场计算结果的比较。对于该型高速浅吃水船型，在兴波阻力有明显改善的前提下，线型的改动若对艉部伴流场无明显影响，则可认为改型的方向是正确的。

图5 球艏优化前后的波形对比（上方为优化方案）

图6 球艏优化前后不同横向位置处的波高比较

图7 原型与优化方案桨盘面处伴流云图比较

在经过总体、轮机等相关专业的进一步校核及相应的局部线型修改之后，最终线型递交给水池用于模型加工及船模试验。

3 船模试验结果比较

2种设计方案的部分特征横剖线及横剖面面积曲线对比如图8、9所示，船模试验均在国内水池进行。图10、11所示库存桨试验结果[4]表明在设计吃水状态下2种方案都能满足航速指标，而对应设计航速点上船院方案的螺旋桨收到功率DP相对低3.6%，比预报的航速则高0.12kn；在低速段范围内上船院的设计方案继承了优秀母型船的特点，快速性能表现更为合理。