提升KSUEZMAX阻力性能的船型优化外文翻译资料

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提升KSUEZMAX阻力性能的船型优化

钟荣·帕克 郑荣灿 何焕春

釜山国立大学船舶与海洋工程全球核心研究中心

釜山国立大学海军建筑与海洋工程系

摘要：本文通过运用优化技术获得了KSUEZMAX在满载吃水和设计速度的条件下的最佳船型。这个优化过程中主要通过RaPID-HOP程序完成。其中船首和船尾都是在没有改变的情况下独立优化，然后再将两者的结果结合。优化过程中的目标函数是船首和船尾的波浪形成和粘性压力阻力系数的最小值，其中船首处的参数修正函数主要是关于SAC形状，截面形状（U-V型，DLWL型），球艏的形状（球艏的高度和尺寸）；而船尾处则是关于SAC形状和截面形状（U-V型，DLWL型）。此外，本文还将WAVIS的1.3版本中的代码用于潜能和粘性流量求解器。由于SQP已被应用于优化算法，因此在优化之前，已经进行了参数研究来观察设计参数对目标函数的影响。模型试验在拖曳水池中进行，以评估优化后的船型的阻力性能。从结果中明显可以看出与原始船型相比，优化的船型的总阻力系数和生育阻力系数分别减少了2.4％和6.8％。此外推进效率提高2.0％，输送功率降低3.7％，而螺旋桨转速略微上升了0.41 rpm。

关键词：艏艉船型优化； KSUEZMAX；RaPID-HOP；参数修正函数；计算流体力学（CFD）；参数研究；等效二次规划（SQP）；模型测试

引言

在船厂中船型设计是一个持续的过程，包括船体改造，运行计算和分析计算结果，这一过程主要是基于主观判断，而这种判断则要依赖于设计师的敏锐的洞察力和丰富的经验。本文将把这最开始的和最终的船型的速度性能与在牵引箱中进行的模型试验进行比较。在Min et al（2002）这篇文章中作者研究了309k VLCC的三种不同船型的阻力和推进特性，即常规的、极端的U型和极端的V型三种船型的阻力和推进特性。

为便于研究，作为一种客观和实用的船型设计工具，使用船型变化优化技术和CFD是很有必要的。使用CFD的船型优化由三个过程组成，这三个过程分别是：初始船型的变化、由一系列不同的船型的流量分析得出的性能预测以及优化后的船型选择，这三种方法中每一种都已经被各种不同的方式开发出来了。此外不同的船型变化技术也都已经被应用了，比如：顶点控制、函数修正和形式参数变量。顶点控制包括将初始船型表示为诸如B样条曲线的曲面，并将船型的顶点作为设计参数进行移动（吉姆和何焕春，2000；郑荣灿等，2003；2005），这种技术的优点是船型变化具有灵活性，但是对于变化之后的公平性和对于船体的挑战性的控制却是不利的。函数修正技术通过利用初始船型的修正函数的变化量来计算不同的丰满船型（铃木等，2004；田原等，2004），这种技术的灵活性和公平性都是有点，但是对于设计者来说却不容易使用。形式参数变量技术确定了船模的表面建模形式参数（野分，1993；索芙特雷和席勒，2002；哈里斯等，2003；路易和施特尔，2003；雅坎等，2004；韩等，2012），它具有强大的灵活性和公平性，且易于使用，但是其初始的船型却不容易用形式参数表示。最近也有研究表明，参数修正函数不需要通过形式参数定义初始船型（吉姆等，2007a；2008），这种方法具有函数修正和形式参数变量两种方法的优点，但是其变化却受到修正函数的限制。现在有两种使用CFD以及潜能和粘性分析来进行流量分析的方法（吉姆等，2011）。早期的船型优化研究主要是关于使用潜流分析和降低兴波阻力，这只需要比较少的解释时间（吉姆和何焕春，2000；拉杰卜，2001；德杰哈拉等，2002；郑荣灿等，2003；2005；萨哈等，2004；铃木等，2004；陈等，2006；郑荣灿等，2011），但随着流量分析技术和计算能力的发展，粘性分析的使用越来越多（杜维格娜等，2003；田原等，2004；2008；佩里和坎帕纳，2005；吉姆等，2007b）。在船厂中最广泛应用的船型优化技术之一就是等效二次规划（SQP，饶，1999），这项基于梯度的技术可以利用目标函数的微分值或者约束的设计参数（吉姆和何焕春，2000；郑荣灿等，2003；2004；2005；2006），其优点是快速收敛和计算效率。然而，这是一个本地优化器，因此为了证明挑战可能在本地最小和不可连接的可行区域采用。SQP适用于单一目标优化，而最近又有一种高级的粒子群优化（PSO，品脱等，2007）被采用，这种优化无衍生，适用于多目标优化（佩里和坎帕纳，2005；田原等，2006；2008；吉姆等，2010）。

通过模拟过去的手工工作，这项研究通过改变影响性能的设计参数来进行优化，通过将参数修正函数计算出来的变化添加到初始船型上来改变最终船型。工作中需要将船首与船尾分开优化，因为船首处的流体粘性比较小，而船尾处粘性比较大。优化的目标函数是船首处的最小兴波阻力系数（C W）和船尾处的最小粘性阻力系数（C VPM），优化中使用的的是SQP。在第2章中我们将讨论选择目标船舶，第3章中我们明确了这个问题，而第4章则是船首和船尾处船型的的参数研究和优化，最后一章通过对优化船型的模型测试进行验证。

目标船舶

目标船舶是一艘肥大的低速KSUEZMAX油轮，其在满载吃水时的主尺度如下：

表1. KSUEZMAX满载吃水时的主尺度

平行中体在第8站和第15站之间（LPP的33%），船型的参数采用了船模尺度比（lambda;）33.094，满载吃水下的设计航速（V_S）为16节，F_N=0.162，R_NM=9.86X10⁶，下标M和S分别指船模和实船。

问题定义

船在静水中以恒定航速（V_S）航行，这种环境被认为与在固定船舶条件下向下游流动的均匀流场相同，在这种情况下以流动方向作为X轴正向，将右舷作为Y轴正向建立坐标，并假定Z轴的方向与重力方向相反，坐标原点位于船中、光滑的自由表面的相交处。然后使用AP、船底和船中原点处的局部坐标来有效地进行船型优化，在局部坐标中，X方向（ ）从AP到FP，Z方向（ ）从船底垂直向上。

船首和船尾是分开进行优化的，船首附近的流体是非粘性流体，而船尾附近的流体是粘性流体。固定船尾，再对处于非粘性流体中的船首进行优化显然是有效地，同理，固定船首，再对处于粘性流体中的船尾进行优化。然后再将通过这些过程所获得的船首和船尾处的船型结合起来，就能得到最佳的船型。

船首处船型优化的目标函数是最小C_W，它可以像等式（1）中从潜在的流体进行解释：

（1）

其中是与（流体密度）和V_S有关的无量纲的压力系数，是船体表面上法线矢量的x分量。

船尾处船型优化的目标函数是粘压阻力系数（C_VPM）的最小值，其先假定粘性阻力系数（C_VM）与双体模型的阻力系数相同（郑荣灿等，2010），尺度模型中的粘性阻力系数（C_VM）分为两部分：C_VFM（尺度模型粘性阻力系数）和C_VPM，C_VFM和C_VPM分别是由于船体表面上的切向和正向的剪切应力而引起的阻力系数。

C_W和C_VPM分别可以使用WAVIS的1.3版本的潜能和粘性流量分析代码获得（吉姆和凡，2000；吉姆等，2002），在优化的每个阶段，L_PP，B，T的同一主要细节是约束条件，其位移是不等式约束，要求其至少大于初始船体的约束。

船型优化

优化通过RaPID-HOP代码运行（吉姆，2008）。RaPID-HOP是船型设计的自动优化程序，由自动船型变化、船舶性能数值预测和船舶性能优化三个模块组成，该代码适用于基于局部变化的船型优化，而基于主要尺寸的全局变化的优化并不在考虑之内。

SQP被应用于优化算法。SQP是一种高效的，基于梯度的局部优化算法，该方法是在目标函数f（x_i）减小的过程中，在设计变量（x_i）上找到梯度（d_i），然后再把当前的设计变量沿着d_i的方向移动，这两个步骤是一个反复迭代的过程。而目标函数f（x_i）的相反梯度则被定义为等式（2）:

i=1,2,hellip;，N （2）

其中N是设计变量的数值，注意到设计变量x_i处的梯度表示目标函数中减小得最快的方向，当前设计变量如等式（3）一样变化：

（3）

式中k表示k次迭代，表示步长。

在利用参数修正函数进行优化之前，需要对原始船体进行参数化研究，通过研究设计参数对本次研究的目标函数的影响，得到了优化过程中所需设计参数的参考值和变化量的信息。需要注意的是，在优化过程中的每次评估时都需要检查约束，而不是在参数研究的情况下检查。

首部船型优化

用于优化船首的参数修正函数主要与SAC形状，截面形状（U-V和DLWL类型）以及球艏形状（球艏高度和尺寸）有关。

图1通过逐渐增加或减少参数修正函数的设计参数来得到C_W的值，X轴显示的是设计参数的变化，当其中一个设计参数改变时，剩下的设计参数就被固定为零（0）。注意X轴上的零表示原始船型，因为没有设计参数的变化，图中Delta;X的单位是站，而Delta;Y和Delta;Z分别由B/2和T进行无量纲化得到。

（a）SAC形状

（b）截面形状

（c）球艏形状

图1.通过参数研究获得兴波阻力系数的特点

表2列出了参数研究的结果，其最后比率是修改后的船型的C_W的与原始船型的C_W的比率，原始船型的C_W为。

表2.通过参数修正函数的设计参数表示首部船型参数研究的最小C_W