基于正交法的三体船侧体构型与布局优化研究

张 雷 张佳宁

(大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院 大连 116026)

基于正交法的三体船侧体构型与布局优化研究

张 雷 张佳宁

(大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院 大连 116026)

设计4种三体船侧体横剖面构型，基于田口正交设计法对三体船的侧体横剖面构型、排水量、横向和纵向位置布局等4种因素进行侧体参数的正交表设计.通过数值模拟计算，研究分析了4种不同侧体参数对三体船总阻力性能影响的主次关系及影响相关程度，得到基于最小总阻力的三体船侧体优化方案，探讨出一种三体船阻力性能优化的思路和方法.

三体船；田口正交设计法；侧体参数；阻力性能优化

0 引 言

现代高速三体船以其良好的快速性和船舶稳性、优异的阻力性能和宽敞的露天甲板等特点被广泛研究. 三体船侧体的存在提高了船舶稳性，也使得侧体和主体之间的连接部分的可利用甲板面积增大.与等效单体船相比，三体船片体较小，造价较低，性能方面有质的提高，尤其在降低兴波阻力方面有得天独厚的优势.护卫舰一类的高速三体船其主体的修长度系数比类似的单体船要长20%，宽度减少25%[1]，水线面更瘦长，有利于减小阻力.侧体本身线型和侧体位置的布置对船体产生的流场有很大影响，侧体线型的合理设计和侧体位置的合理布置能够使3个片体产生的兴波相互叠加消除，最大限度减小兴波阻力.同时侧体的排水量对船舶摩擦阻力和3个片体之间的兴波干扰也有较大影响.

国内外对三体船侧体的阻力优化研究主要集中于侧体位置布置对船舶兴波阻力的影响方面，多采用理论数值计算方法、CFD数值模拟方法和船模水池实验.其中基于CFD的船舶阻力的数值模拟计算已经发展得比较成熟，其具有比船模试验更节约资源和更效率的优势，而且能模拟出理论计算难以计算的船体周围粘性流场的细节，模拟结果精确度能够很好的满足船舶设计前期对阻力估算预报的要求，这已经在大量的研究者们所发表的文献中所证实[2-4].

通过对三体船侧体横剖面形状分类设计，侧体横向和纵向位置不同布置,以及侧体排水量的选取设置多个三体船侧体参数，合理选取各参数范围和变化梯度，根据正交试验设计方法，设计正交试验表，依次展开计算，得到单位排水量下总阻力等数据，据此采用正交设计的极差、方差分析方法对各侧体参数对三体船总阻力变化趋势的影响和相关程度进行分析研究.

1 基本方程和模型处理

1.1 基本方程

流体流动遵守3大守恒定律：质量守恒、动量守恒和能量守恒定律.一般研究船舶运动时，忽略流体和船体之间的热交换，不考虑能量守恒方程.对应其他2个方程为不可压缩流体的瞬时质量守恒方程(连续性方程)和瞬时动量方程(N-S方程).船舶运动时，流体为高雷诺数的湍流流动,通过对瞬时控制方程运用雷诺时间平均法得到雷诺时均连续性方程和雷诺时均N-S方程(RANS方程).

(1)

(2)

1.2 模型处理

本文选取的三体船模型主尺度等数据如表1所列.在保持主体型线和吃水不变的情况下，通过改变侧体横剖面构型、横纵向位置和排水量等因素对模型进行设置.由于非对称侧体不具有明显的阻力优势[5]，因此采用2个侧体对称设置.在侧体横剖面形式方面，选用不对称内侧型侧体构型，因为其干扰兴波作用大，对侧体位置最为敏感[6].侧体横剖面线型具体设计分为4类(见图1)，从左至右依次为：极端U形、缓和U形、V形和缓和V形.

表1 三体船主尺度数据

图1 侧体横剖面构型设计

船舶运动直角坐标系和侧体位置参数设置见图2，原点选在三体船主体船尾中纵剖面处，侧体与主体纵向间距为a,横向距离为b，主体长Lm，侧体长Ls.

图2 三体船坐标系和侧体位置参数设置

对三体船侧体的侧体横剖面形状、侧体排水量占总排水量比例、侧体距主体纵向位置、侧体距主体横向位置这4个因素各选取4个水平进行参数设置，侧体纵向位置a变化范围为[0，0.663Lm]，变化梯度0.221Lm.横向位置b变化范围[0.085Lm，0.145Lm]，变化梯度0.02Lm.各因素水平选取见表2.

表2 侧体各参数水平设置

不考虑4个因素相互影响，对此4因素4水平的试验进行正交表设计，选取L16(45)的正交设计表(见表3)，多出来的一个空白列作为误差项.计算模型采用船模尺度进行计算，缩尺比α=40,计算航速取三体船最大弗劳德数Fr=0.57对应速度V=3.09 m/s.

表3 L16(45)正交设计表和阻力计算结果

2 侧体参数对总阻力影响分析

(3)

p个试验结果的总离差平方和：

(4)

第j列(即第j个因素)的离差平方和：

(5)

表4为单位排水量总阻力数据进行极差和方差分析结果，其中DF为自由度.

表4 单位排水量总阻力结果分析

正交设计法数据的极差分析，可以得到各因素对目标结果的影响主次关系，数据极差越大，因素的影响越大.通过对总阻力数据的极差分析(见表4和图3)，可以看到极差从大到小的因素依次为B,C,A,D，说明侧体的4个参数对船总阻力影响的主次关系为侧体排水量、纵向位置、侧体形状和横向位置.结果分析表明，高速航行时三体船侧体的纵向位置对总阻力的影响比侧体横向位置的影响大，这一结论与文献[7]对三体船模型所做的阻力试验研究得出的结论一致.其中，侧体排水量较优水平为B1，即排水量最小的2%水平；纵向位置较优为C1，即a/Lm=0的船舯后；侧体形状较优为A4,不对称内侧缓和V形侧体；横向位置较优为D3，b/Lm=0.125距主体适中位置.

图3 各因素对应水平均值比较

通过正交设计方案结果分析得到的较优的因素水平为A4B1C1D3，这个组合没有在方案中出现，通过对优选方案的数值模拟得到其单位排水量总阻力为610.09 N/t，比其他16组计算方案结果要小，因此也验证了正交试验设计优选方法的科学性.优选方案相关自由液面和波高见图4、图5. 在主体尾部，方尾的存在使船后形成了一个和主体宽度相当的“鸡尾流”，长度约为主体船长的1/10，虚长度的存在使得相当船长得到增加，船体显得更加瘦长，有利于减小船舶兴波阻力.

图4 优化三体船自由液面波形图

图5 距主体中纵剖面不同距离处剖面波高图

方差分析主要是考察各因素对结果的影响相关程度，并通过最终的F值查F值检验表得到各因素显著性大小.表4中，侧体各因素的F值从大到小依次为B侧体排水量(43.74)、C纵向位置(24.67)、A侧体形状(12.94)和D横向位置(1.61)，F值显著性大小排列顺序与极差排列顺序一致，进一步验证了极差分析的准确性. 通过查询F分布临界值F0.05(3,3)=9.28，F0.025(3,3)=15.44，F0.01(3,3)=29.46，得到侧体形状、侧体排水量和侧体纵向位置置信度均大于95%，三个因素对总阻力结果都属于高度显著因素.侧体横向位置对总阻力置信度较小，属于对总阻力影响较小的因素.

3 结 论

通过对三体船不同侧体参数下高速航行时静水航行阻力性能的计算分析，得到以下结论.

1) 侧体参数对三体船高速航行时总阻力影响主次关系依次为：侧体排水量、侧体纵向位置、侧体横剖面构型、和侧体横向位置.

2) 侧体参数中侧体排水量、侧体纵向位置和侧体形状对三体船总阻力具有高度显著性，侧体横向位置属于影响较小因素.

3) 掌握了三体船侧体各参数对三体船总阻力影响的关系，有利于在三体船侧体优化过程中，正确合理的选取三体船侧体参数最大限度优化总阻力，从而探讨一种高速三体船阻力优化的新思路和方法：在合理的范围内优先考虑设计排水量较小侧体，侧体纵向分布在船舯后，对侧体横剖面构型选择不对称内侧缓和V型，侧体距离主体横向分布适中位置.

后续将开展船模试验，同时对三体船主体和侧体之间的兴波干扰机理进行深入研究.

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Optimization Research on the Side Hull Configuration and Position of Trimaran Based on Orthogonal Design Method

ZHANG Lei ZHANG Jianing

(SchoolofTransportationEquipmentandOceanEngineering,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

The paper classified and designed for the cross section configuration of side hull, preliminarily selected optimized programs which consist of different side hull parameters: body line, tonnage, transverse and longitudinal position based on Taguchi orthogonal design method. The optimized scheme is obtained by analyzing the major and minor relationship of side hull parameters affecting on total resistance through numerical simulation, a method for trimaran resistance performance optimization was explored.

trimaran； Taguchi orthogonal design method; side hull parameters; resistance performance optimization.

2015-03-20

U674.951

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.016

张 雷(1988- )：男，博士生，主要研究领域为船舶流体