基于数值方法的某高速执法船快速性综合优化研究

张磊 段明昕 刘金刚 程宣恺

摘要：本文对某高速执法船的线型进行了基于参数化变形和数值模拟方法的快速性综合优化研究，运用数值模拟计算分析了排水量分布、球艏和船艏、船艉及附体轴支架等部位的改型对船体阻力及伴流的影响。根据分析结果综合优化了船体线型，并对优化后的线型进行数值模拟预报，并和模型试验结果对比。结果表明：数值预报结果具有较高的精度，优化结果也满足预期设计要求，验证了数值方法的准确性和优化思路的正确性。

关键词：快速性;线型优化;数值方法;船模试验

0引言

执法船是维护海上安全，执行海上任务的一类舰船，通常应具备航速高、耐波性好、操纵灵活等特点。近年来，我国周边岛礁之争日趋紧张，而现役的某些维权执法船在设计性能和设计标准方面已不太适应当前执法形势的需求。因此，该类执法船的升级换代势在必行。

目前，我国主要的维权执法舰船在快速性、机动性、对抗性能力、任务系统等方面与周边一些国家的舰船还存在着差距。特别是快速性，25kn以上的舰船数量很少，在对抗穿插占位中处于明显劣势。

随着CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）技术的发展以及船舶行业节能减排设计要求的提高，CFD数值模拟方法在船舶性能研究领域发挥着越来越重要的作用，主要用于对大量优化方案的性能评估和分析。

本文以某高速执法船线型优化为例，基于CFD方法进行了快速性综合优化研究。优化中既追求减小阻力，也兼顾提高推进效率。主要运用参数化线型变换软件CAESES对船体排水量分布、球鼻艏及船艏形状、艉封板高度及分流踵形式等进行方案变换，对轴支架角度进行多角度组合得到不同方案;然后运用CFD计算软件SHIPFLOW和STAR-CCM+分析了不同优化方案的阻力性能及伴流分布;最后，通过水池模型试验对最终优化方案进行了试验验证，达到了设计要求。

1船型及螺旋桨主要参数

本文所述高速执法船在该类船型中属于吨位较大者，同时为了满足当前执法需求，对航速、耐波性、机动对抗性等方面均有较高要求。设计航速的傅氏数为0.380，兴波阻力在总阻力中占较大比例，因此球艏及艏部应该是优化重点之一;艉部由于总体布置需要，艉封板无法抬高到水线面;为了提高推进效率，螺旋桨采用内旋双桨，且桨径较大，因此需要设置分水踵来防止双桨相互不利的干扰;每侧轴支架均采用前“I”后“V”的形式，因此轴支架角度对阻力性能的影响不可忽视。在确定了主尺度后，在母型数据库中选择合适的母型，通过变换得到该船的原型，螺旋桨采用库存桨。船体和螺旋桨的主要参数见表1。

2线型设计与优化

2.1排水量纵向分布优化

纵向浮心位置是决定船体性能的基本参数之一，排水量纵向合理分布可以有效改善船体兴波阻力和粘压阻力性能。

采用参数化线型变换软件CAESES对初始线型的浮心位置、最宽横剖面位置、最宽横剖面位置起始角和终止角等进行优化，生成300个变换方案，并用CFD软件SHIPFLOW中基于势流理论的计算模块评估各方案的阻力性能。综合比较各方案的阻力系数值和波形图，选取最优方案。优化后线型的浮心位置前移了约2.13%Lpp，兴波阻力系数Cw降低约2.33%。

图1和图2分别为优化前后的自由面波形对比图和波高对比图。由图可以看出自由面波形有所改善，波幅有所降低，尤其船身后半段有明显降低。进一步用基于粘流理论的CFD软件STAR-CCM+评估得知优化方案的总阻力降低约3.62%。这一方面由于艏部变胖，改善了原有的兴波干扰;另一方面艉部变瘦，使艉部压力分布更加合理，降低了粘压阻力。

2.2球艏及船艏优化

该执法船设计航速下傅氏数约0.380，因此艏部兴波阻力对快速性的影响较大。通过CAESES软件和SHIPFLOW软件（势流计算模块）的联合使用，对球艏做参数化变形并进行性能评估，选取最优方案。此外，考虑到船艏兴波较高，对船艏做进一步收瘦。

运用CAESES软件中的surface delta shift功能对球艏部位的曲面进行参数化控制，在给定的参数变化范围内，球艏从长度、宽度、高度等3个方向综合变形，随机得到300个变形方案。通过SHIPFLOW软件计算每个方案的兴波阻力，通过比较分析兴波阻力值和波形图，确定其中最优的方案。CAESES中对球艏曲面参数化变形示意如图3，最优方案与原型方案的自由液面波形对比和纵向波高对比分别如图4、图5所示。由图5对比可以看出，在船身段的兴波波幅均有所降低，尤其船艏波幅有明显降低;兴波阻力系数降低约3.76%。

由图6、表2可知，优化后球艏长度保持不变，但球艏横剖面形状发生较大变化，优化后球艏上部加宽、下部收瘦，整体有所抬高和变宽，球艏的浮心上移。优化后球艏更利于在高速工况下兴波产生有利干扰。运用STAR-CCM+软件对优化前后方案的阻力进一步计算验证，结果显示优化后方案的总阻力降低约6.77%。

2.3艉封板高度及呆木的优化

该船航速较高，而原型的艉封板浸没较深，这会产生较大的粘压阻力，同时较深的艉部浸深影响螺旋桨来流的顺畅性，适当抬高艉部利于降低阻力。另一方面受总体布置要求，艉部又有一定的高度限制。同时，随着艉部的抬高，螺旋桨直径可以加大，但受船宽的限制，双桨工作可能会有互吸干扰作用，因此有必要对船艉分水踵呆木进行改型。

在CAESES软件中运用DeltaCurve曲线对艉封板高度及艉部形状进行参数化控制，如图7所示，艉封板高度变化范围从4.5-5.3m，间隔0.1m，得到了9个方案。运用CFD软件STAR-CCM+对9个方案进行计算，模型总阻力结果如图8所示。

从图8计算结果可知，随着艉封板高度在一定范围内增加，船体总阻力呈下降趋势，结合总体布置要求，选择艉封板高度为5.3m时的方案為优化方案。然后，结合螺旋桨的布置，对优化方案的分水踵进一步调整，艉部和分水踵优化前后对比如图9、图10所示。

优化后，船艉整体有所抬高，艉部横剖面由方形变为椭圆形，这主要为了减小粘压阻力和提高推进效率，让艉流流动更顺畅。分水踵纵剖面积增大，有效减小了双桨在运转时的相互干扰。

运用STAR-CCM+软件对优化前后船体总阻力进行计算验证，结果显示，优化后总阻力降低约3.93%。

2.4轴支架优化

轴支架主要用于雙桨或多桨船，可以通过合理布置支架角度，使其与来流形成合适的攻角，从而改善螺旋桨的进流，提高推进效率。航速越高，效果越明显闭。

本船为双桨推进，每一侧轴支架又由一个I型支架（前部）和一个V型支架（后部）组成，如图11所示。轴支架的横截面采用NACA66mod翼型，具有良好的阻力性能和抗空化性能。通过改变轴支架的每个叶片绕其随边旋转的夹角，得到不同的组合方案。然后运用STAR-CCM+对每个方案进行阻力计算。其中，定义轴支架导边向船外侧旋转的夹角为正值，向内侧旋转的夹角为负值;相对轴支架旋角均为0°时（方案01）的总阻力增量百分比为阻力变化，则不同组合方案及阻力变化如表3所示。

根据表3可知，方案04、方案06、方案10是单个支架叶片的角度发生改变时阻力减小的方案，组合这些角度以获得更优的方案。其中，方案10的v型支架内侧叶片为6°，考虑到螺旋桨为内旋，此时正角度的支架会诱导不利于推进效率的伴流。因此，最终选择方案12作为最优方案，如图12所示。优化后的总阻力降低约2.24%，降阻超过方案04和06的之和，这说明方案12的角度组合产生了有利影响;同时螺旋桨桨盘面处平均伴流区有所增大，有利于提高船身效率，如图13所示。

3阻力数值预报及船模试验

运用STAR-CCM+软件对原型和最终优化线型进行阻力计算，结果显示优化线型在设计航速下的总阻力降低约15.61%。对优化线型的多个航速点进行CFD阻力预报并和试验值比较，见表4，对比显示数值预报结果具有较高的精度。试验预报航速满足预期要求航速，说明本文优化思路的正确性和有效性。

4结语

对本文高速执法船的设计与优化要点总结如下：

（1）随着CFD技术的发展，运用数值模拟方法可以使线型设计与优化工作更高效，无论从定性分析或是定量评估均有实际的工程应用意义。

（2）优化球艏及船艏线型是降阻的有效途径之一，借助CAE软件对球艏从长、宽、高三个维度以及艏部进流角度等方面进行综合优化，改善船艏兴波干扰，从而达到降阻效果。

（3）艉封板高度和艉部线型对船舶运动姿态有较大影响，通过优化艉部线型可减小船后兴波和改善船体表面压力分布，从而达到降阻效果。

（4）优化附体形状达到降阻效果，例如通过优化轴支架片体的角度，既可以起到降阻效果，也可以改善艉部流场。