CFD在2 500TEU集装箱船线型优化中的应用

易 歆，陈 莉

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州510027）

1 概述

近几年来根据航运市场和环保要求的不断变化，设计规范规则也发生了巨大的变化，减速航行是各大航运公司普遍采用的节约成本的做法。减速航行带来了集装箱船主尺度（如船舶总长、船舶宽度等）相对于传统设计发生了明显的变化，新船型设计要求在保证最大装箱量和航速条件下尽可能地降低船舶的油耗。为了实现此目标，需要通过联合运用线型优化技术并结合实船设计经验来降低船舶阻力、提高推进效率、减小装机功率，实现超低的船舶能效设计指数（EEDI）。

某2 500TEU集装箱船是我司重点开发的新型集装箱船，适合全球无限航区航行，满足巴拿马、苏伊士运河等通航要求，具有总布置紧凑、集装箱装载能力强、航速适中燃油经济性好的特点，是新一代的绿色环保船型。本文从使用计算流体力学（CFD）进行线型优化设计的角度介绍其开发设计过程和技术。集装箱船通常追求高的载箱量指标，主尺度如船长、船宽、型深等主要由船舶的载箱量和集装箱布置来决定。经过对市场上同类型船舶的调研和前期的方案设计，确定它的主尺度参数如下：

2 优化设计过程

目前使用的集装箱船线型优化设计方法主要有以下三种：

（1）基于Operation Profile要求使用全参数法；

（2）基于Operation Profile要求结合经验＋CFD优化方法；

（3）基于设计要求结合经验＋CFD优化方法。

本项目集装箱船属于布置型船舶，线型优化设计的主要目标是满足集装箱布置和装载能力的需求，同时保证较高的目标航速。根据实际条件，我们选择了基于Operation Profile要求结合经验＋CFD的多点多目标优化方法。

在方案设计时，根据欧洲船东市场调研和实际航线运营经验，要求本船能满足设计吃水下V=19 kn的最大航速，达到快速及时运载货物的目的；同时在中低速航行V=12～18 kn航速范围内保持较好的燃油经济性。

根据各个航行工况下的阻力系数乘以权重再求和，我们得到比较线型优化设计结果的指标。对于母型船线型分析确定需要优化的参数并计算得到多个参数变化后的线型，通过CFD计算优化后线型的阻力的方法筛选出波形光顺、在各个航行工况下综合阻力指标最好的线型。

我们的设计合作方提供了2 500TEU的母型船设计线型，通过对此线型的研究和相似船型经验，我们确定了需要优化16～18 kn范围内在设计吃水9.5 m和结构吃水11.5 m的线型，另外需要降低球鼻首高度以减小首部的兴波来提高快速性。

本项目在使用CFD设计软件SHIPFLOW对全船外壳线型建模后，通过设定边界条件，包括排水体积、浮心位置、初稳性高等稳性特性、集装箱布置和机舱设备布置所需特殊宽度等约束条件，对包含浮心位置、最宽横剖面位置、最宽横剖面位置起始角和终止角等多参数化的模型优化计算就能得到优化设计方案，通过对优化方案的阻力计算结果进行比较得到满足operation profile要求的目标线型。

模型参数的变化范围、约束条件的多少都会影响到优化计算结果的数量，本次优化过程中一共生成了300多个优化方案，采用SHIPFLOW软件计算各个方案的兴波阻力值，从中选取兴波阻力最小的方案。从方案数值计算结果来看，优化前后兴波阻力有一定程度的改善，从波形分析同样可以得到相同的结论。

新的线型相比初步线型约有2.9% 的阻力下降，主要是在设计和结构吃水处水线面首尾部肋骨线的曲率作了优化，平行中体部分变化不大。此船线型优化的重点在于首尾部分，首部线型及球鼻首对阻力影响很大，尾部线型则影响了伴流。根据此线型我们委托德国SVA拖曳水池进行了带库桨的船模阻力试验，试验结果如图1所示：设计吃水9.5 m时基本能够达到V=19 kn的航速要求，但在航速V=12-16 kn阻力较大；结构吃水11.5 m时曲线较为平滑，在航速V=12-16 kn时仍然还有所突起。显然，在航速V=12～16 kn范围内阻力还需要进一步的优化。

图1 航速阻力试验结果图

考虑到设计航速、船体主尺度及初稳心高等基本上能满足集装箱装载要求，本船线型不需要再做过多修改。针对这个低速下阻力过高的问题，我们的解决思路是通过修改球鼻首来改善低速下的阻力特性。为此，我们使用CASES、 SHIPFLOW软件进行CFD球鼻首的优化设计，以减小在较低航速下的阻力。具体优化设计过程中选取了球首高度、宽度、球鼻高度等多个参数，以减小兴波阻力为目标进行遗传算法优化计算。

遗传算法是一个以适应度函数（目标函数）为依据，通过对种群个体施加遗传操作实现种群内个体结构重组的迭代处理过程。在这一过程中，群体个体（问题的解）逐代优化并逐渐逼近最优解。SHIPFLOW软件是使用遗传算法NSGAII对球鼻首型线进行的优化分析，输出的优化结果为船模尺度下的解。在稳性特性如排水量、浮心位置、初稳心高等约束条件基本保持不变的情况下，从中初步优选得到B1～B12共12种改进设计方案。

通过使用CFD软件SHIPFLOW对这12种优化方案进行了各航速下的阻力预报，计算结果显示了相对于原线型各个优化设计方案在设计吃水分别在V=16、V=18、V=19 kn航速下的阻力变化情况。其中B11的优化方案在设计吃水9.5 m、16 kn的工况下阻力降低了2.5%，在设计吃水9.5 m、19 kn的工况下阻力提高了0.3%。经过综合考虑12个方案在各个航速下的阻力优化大小，我们选取了B11作为最终的球鼻首优化方案。

3 通过船模试验确认CFD优化

按照修改后的B11线型，我们重新进行了船模阻力试验。试验结果显示，在保证设计航速的情况下，V=12～18 kn航速下的阻力结果达到了与预期相近的改善效果。通过本次船模水池试验，验证了CFD在本船线型优化设计上的预报作用，完成了一次成功的线型优化设计。修改线型后的船模阻力试验结果，如图2所示。

图2 航速功率试验结果

4 结束语

本文介绍了某2 500TEU集装箱船的线型优化设计方法和过程。确定船舶主尺度和Operation Profile后，在优秀的母船型线型基础上按照集装箱装载要求等约束条件，选取多个参数变化来达到优化设计目标，根据CFD软件预报结果选择最合适的设计方案。船模水池试验结果验证了使用CFD软件优化计算和航速预报的有效性，完成了目标船舶的线型优化设计任务，为使用CFD软件优化设计此类型船的线型设计提供了经验和实例参考。