基于CFD的集装箱船阻力性能优化

冯梅++冯佰威

摘要： 基于CFD方法实现船体型线的自动优化。应用船型参数化建模方法分析特征参数，提取设计变量，以兴波阻力最小为目标，分别采用Sobol算法和Tsearch算法实现船体型线的自动优化。将上述方法应用于5 100 TEU集装箱船的型线自动优化，运用Shipflow软件进行CFD数值计算。评估结果表明优化船型在弗劳德数Fr=0.26时总阻力减少3.62%，说明该方法可行。

关键词： 特征参数； 设计变量； 参数化建模； 数值计算； 自动优化

中图分类号： U4文献标志码： B

Optimization of resistance performance of container ship

based on CFD

FENG Meia， FENG Baiweib

（a. School of Transportation； b.Key Laboratory of High Performance Ship Technology（Wuhan University of

Technology）， Ministry of Education， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

Abstract： Automatic optimization of hull line is realized based on CFD method. The application of ship parametric modeling method is applied to analyze the characteristic parameters， and the design variables are extracted. Taken the minimum wave making resistance as the goal， the Sobol algorithm and Tsearch algorithm are used to realize the automatic optimization of hull line respectively. The method is applied to the automatic hull line optimization of a 5 100 TEU container ship. The CFD numerical calculation is performed using Shipflow software. The evaluation results show that the total resistance of the optimized ship type is reduced by 3.62% at Froude number Fr=0.26， which shows that optimization method is feasible.

Key words： characteristic parameter； design variable； parametric modeling； numerical calculation； automatic optimization

收稿日期： 2017[KG*9〗07[KG*9〗20修回日期： 2017[KG*9〗09[KG*9〗10

基金項目： 国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目（51720105011）；国家自然科学基金（51479150，51709213）；

自主创新基金（173102007）

作者简介： 冯梅（1995—），女，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为船舶多学科设计技术优化，（Email）1606173045@qq.com；

冯佰威（1974—），男，辽宁北镇人，副教授，博士，研究方向为船舶数字化和船舶多学科设计优化，（Email）275951659@qq.com0引言

目前，船舶CAD研究往往以经验设计为主[14]，CFD技术仅仅用作分析和评估的手段，未能真正实现性能驱动设计的目标。本文研究基于CAD和CFD一体化的船型优化方法[5]，其基本思想是通过CAD模型生成器生成参数化几何模型，然后通过二次开发将CAD中的几何模型转换为CFD可计算的模型，再导入CFD软件中进行计算，最后采用优化器自行优化，找到最优解。优化时的设计变量和约束条件均从CAD模型中选取，以某5 100 TEU集装箱船为例完成CAD和CFD的有机集成过程。

1特征参数分析

船舶是一个复杂的几何体，其描述参数很多，而且各参数之间关系密切，所以有必要在建模之前选择特征参数[6]，并为优化变量的选择提供参考。

1.1横剖面面积曲线

横剖面面积曲线是以船长为横坐标、以设计水线以下各横剖面积为纵坐标的一条曲线。[7] 横剖面面积曲线特征参数及其代码见表1。

1.2设计水线

设计水线的形状特征与横剖面形状特征相关。水线形状对兴波阻力影响较大，其形状的选择与船速密切相关。设计水线特征参数见表2。

1.3横剖线形状

横剖面的形状通常要考虑几个方面的因素，特征参数见表3。

1.4侧面轮廓线和甲板线

侧面轮廓线是船体型线最基本的边界线，也是船体形状特征的重要控制要素之一，其设计也同样关系到船舶的性能。甲板边线与总布置关系密切，设计中必须与总布置设计相互协调。侧面轮廓线和甲板边线特征参数见表4。

1.5球艏型线

球艏的主要作用是改善艏流场，减小阻力，从而提高船舶的速度。球艏的特征参数见表5。endprint

25 100 TEU集装箱船参数化建模

参数化建模旨在为后续优化提供模型，实现CFD对CAD的驱动。本文选取某5 100 TEU集装箱船，其设计弗劳德数Fr=0.26，属于中高速船，因而可通过优化兴波阻力达到降阻效果。从船体中部开始，以船体中部两端的横截面向艏和艉建模，具体见图1。

2.1参数化建模原理

构建控制主要几何特征的参数和相关参数曲线，定义横剖线的曲线特征，然后由这些特征曲线生成光顺的横剖线，再由这些剖线利用蒙面法生成光顺的曲面。[89]

2.2横剖面构造

船体曲面复杂，此处仅以船体中部的创建为例阐述，其他部位方法类似。

首先创建特征曲线平边线和平底线，见图2。

通常，船型设计过程中船体横剖面位于YZ平面，船长沿X方向延伸。因此，这里需要的Feature definition相当于船体中部的一个横截面，横剖线形状由一段平底部直线、舭部曲线和一条侧面直线组成，见图3。图 3横剖线形状

Fig.3Profile of cross section

在Feature中定义如下：

line bottom（[xpos，0，keel]，[xpos，fob，keel]）

point onside（Fos.getpos（Fos.ft（0，xpos）））

fsplinecurve bilge（[xpos，fob，keel]，onside）

bilge{

.setActivePlaneYZ（）

.setStartTan（deadrise）

.setEndTan（90flare）

.setAreaAxis（1）

.setAreaValue（（halfBfob）*（onside.getZ（）keel）*fullness）

}

line side（onside，[xpos，halfB，D]）

polycurve section（[bottom，bilge，side]）

section.setParametrization（"unit speed"）

2.3曲面生成

平底線通常建在XY平面上，此处将平底线曲线绕X轴旋转90°至XZ平面，确保接下来curve engine中每一个曲线方程的X都能读取到对应的Z值，将该值赋予Feature definition对应的参数生成一个截面。曲面生成器mata surface由无数个连续的截面组成。船体中部曲面也就由此建成，见图4。

35 100 TEU集装箱船阻力性能优化

选择舯前部为优化对象，建立相应的优化模型。采用Sobol算法和Tsearch算法对数学模型进行求解，完成5 100 TEU集装箱船型兴波阻力性能的数值优化。

3.1型值数据自动提取

为将CAD和CFD集成，实现自动优化，需自动提取船体曲面的型值数据，并以此作为CFD数值计算的几何分析模型。采用Feature实现船体曲面型值数据的自动提取，该船型可分为艏、主体、艉、球艏4个部分。设置好Feature中的相关参数，将这些型值数据合并到一起就是全船的型值数据，见图5。将该型值数据提供给Shipflow软件，以完成兴波阻力计算。

3.2阻力数值计算

对5 100 TEU集装箱船以设计航速26.69 kn（Fr=0.26）运行时的阻力和流场进行数值计算。沈通[10]以标模KCS阻力数值计算为例，说明数值计算可以较好地捕捉到流场的局部细节，其精度足以用于预报船体的兴波阻力和总阻力，详细验证过程见文献[10]。

采用势流面元法计算兴波阻力，在船体表面和静水面上分别进行面元划分：船前取0.5LPP（LPP为垂线间长），船后取1.0LPP，船侧取0.6LPP，计算面元总数为3 600个，离散化网格见图6。计算黏性阻力时采用RANS方法，运用仅适用于流体体积法的Vcoarse划分方法，网格总数为286 440个。计算过程中兴波阻力计算迭代22步收敛，黏性阻力计算迭代1 700步达到稳定。计算结果见表6，其中Cw为兴波阻力因数，Cpv为黏压阻力因数，Cf为摩擦阻力因数，Ct为总阻力因数。

3.3优化变量设定

选择舯前部为优化对象，共选取10个设计变量。由于球艏对兴波阻力影响显著，选择球艏的6个参数、控制水线形状的4个参数作为变量。各参数相应的变化范围见表7。

3.4优化目标定义

重点对舯前部进行优化，以减小船的兴波阻力，因此将兴波阻力作为目标函数。

3.5约束条件定义

在保证船舶阻力性能优化的同时，确保优化后的船型仍具有初始船型的营运性能，还要提供足够的浮力保证浮态不会发生很大变化。优化约束选择排水量和浮心纵向位置，并设置变化范围如下：（1）排水量上下浮动范围小于1%；（2）浮心纵向位置前后浮动范围小于1%。

3.6优化算法设置

Sobol算法研究各个因素在其研究空间内对所选模型全局的影响，因此Sobol算法的因素范围均匀分布在所研究的空间内。可以用Sobol优化算法在规定的研究空间内对最优解优化方向进行初步探索，所得到的解不一定是最优解，但可以以此结果作为研究对象再选用其他的优化算法（如Tsearch算法）进一步优化，从而节省优化过程消耗的时间。

选择Sobol算法生成200个方案，从中优选出兴波阻力最小的方案，并以此方案船型为母型船，采用Tsearch算法优化，允许误差为0.1×10-4 mm，最大迭代次数设置为200次，得到106组方案。[11]endprint

4优化结果分析

优化前后的目标和约束条件对比以及优化前后的阻力对比分别见表8和9，其中Lcb为浮心纵向位置，D为型深，Rw为兴波阻力，Rt为总阻力。

通过对比优化前后的船型可知，优化船型的球艏形状发生明显变化，球艏长度变短且肥大，并且船体前部型线“V”形更明显，见图7。对比优化前后的性能指标，兴波阻力因数降低24.26%，排水体积仅下降0.013%，浮心纵向位置略微后移。

优化前后纵向波切对比见图8。由此可知，船体附近的波幅有所变化，优化后X/LPP在0.3～1.0时，波形切片幅值明显变小。优化前后波形对比见图9。由此可知，优化后兴波波形较母型

5结束语

利用CAD和CFD集成优化平台，成功实现5 100 TEU集装箱船的自动优化，优化结果表明：本研究方法对兴波阻力的优化效果明显，并可获得阻力性能更好的船型，对实现仿真驱动设计、缩短设计周期具有重要意义。

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