基于流場(chǎng)特性的船舶線型優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于流場(chǎng)特性的船舶線型優(yōu)化設(shè)計(jì)

自2008年世界金融危機(jī)以來，造船行業(yè)也受到嚴(yán)重影響。訂單需求大大減少，船價(jià)也急劇下降。為了保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，國際組織提出了一個(gè)新概念，即船舶效率設(shè)計(jì)指數(shù)（edi）。在這方面，不同船舶制造研究單位、船舶東部和造船廠之間有越來越多的綠色環(huán)保研究和開發(fā)。2009年11月，上海佳浩船務(wù)設(shè)計(jì)有限公司與上海佳浩船級(jí)有限公司合作，在上海佳浩租賃公司現(xiàn)有35000噸濕船的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一代35000噸綠色環(huán)保船，以滿足上海船舶市場(chǎng)更新的更高需求。本文在對(duì)現(xiàn)有35000噸散貨船的基本設(shè)計(jì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,研究提高能效和降低對(duì)環(huán)境影響的改進(jìn)途徑,而要提高其能效首先要研究開發(fā)出船舶航行性能,特別是快速性能更為優(yōu)良的船型,包括船體線型的優(yōu)化設(shè)計(jì).1船型總結(jié)1.13垂線間長(zhǎng)、型深、水質(zhì)td主尺度要素:總長(zhǎng)LoA=179.90m;垂線間長(zhǎng)LPP=171.50m;型寬B=28.40m;型深D=15.00m;設(shè)計(jì)吃水Td=10.00m;結(jié)構(gòu)吃水Ts=10.80m.1.2船舶周圍流場(chǎng)特性的確定為進(jìn)行艏線型及艉線型優(yōu)化,擬利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)船體周圍流場(chǎng)特性進(jìn)行計(jì)算分析,同時(shí)結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn),對(duì)原船型進(jìn)行改型優(yōu)化,并通過水池模型快速性試驗(yàn)驗(yàn)證以獲得較為優(yōu)良的船舶線型.2不同線型設(shè)計(jì)及數(shù)值計(jì)算與分析2.1部線型方案比選船體線型是影響船舶快速性能優(yōu)劣的關(guān)鍵,常會(huì)出現(xiàn)在船舶主尺度要素及主機(jī)功率相同的情況下,采用不同的線型而會(huì)使航速有較大差異.船舶線型的優(yōu)劣主要取決于艏、艉部的線型,為此在35000噸散貨船原船線型基礎(chǔ)上進(jìn)行兩種方案的改型設(shè)計(jì).首先進(jìn)行艏部線型改型設(shè)計(jì),其次再進(jìn)行艏、艉部線型改型設(shè)計(jì).共有三種線型方案,初始線型(方案1)、艏部改型優(yōu)化(方案2)和艏、艉線型改型優(yōu)化(方案3),三種線型方案的橫剖面比較如圖1所示,其艏部輪廓比較如圖2所示.2.2自由面特征分析為進(jìn)一步驗(yàn)證線型改型優(yōu)化后能否取得預(yù)期的效果,分別采用了勢(shì)流計(jì)算原理及粘性流計(jì)算原理,對(duì)上述三種線型方案1(船模編號(hào)SM1005),方案2(船模編號(hào)SM1005-1)及方案3(船模編號(hào)SM1005-2)進(jìn)行了設(shè)計(jì)吃水工況的數(shù)值計(jì)算,包括流場(chǎng)、波高等值線圖、舷側(cè)波型圖、船體表面壓力分布圖、伴流場(chǎng)分布及阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果等,通過對(duì)不同線型方案的分析比較,可對(duì)其性能優(yōu)劣作出一個(gè)較全面的定性判斷,從而為選取優(yōu)良的線型提供可靠的理論依據(jù).由計(jì)算可獲得船體在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)Vs=14.00kn時(shí)的自由面波形等高圖見圖3、舷側(cè)波形圖見圖4、船體表面壓力分布圖見圖5、伴流分布圖見圖6,圖6中,Wx為軸向伴流;Vx為軸向速度分量;Vr為法向速度分量;Vt為切向速度分量;Vm為船模速度.阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表1.從計(jì)算結(jié)果及諸圖分析比較可得,整個(gè)船體周圍流場(chǎng)的波形趨勢(shì)為方案2和3均較方案1平緩,而以方案2的更為平緩些.另從船體的舷側(cè)波形趨勢(shì)來看,方案2的波形亦較為平緩,方案3次之,方案1波高最大,因此采用勢(shì)流計(jì)算原理所獲得的結(jié)論為方案2的興波在三個(gè)方案中最小,也即其興波阻力為最小.而采用粘性流計(jì)算原理對(duì)三個(gè)方案的阻力數(shù)值計(jì)算結(jié)果得方案3的總阻力系數(shù)及剩余阻力系數(shù)均最小也即其阻力最小,方案2次之,方案1最大.可見改型后的方案2及方案3的總阻力值都比原型方案1有較大的改善.根據(jù)計(jì)算所得槳盤面處的伴流場(chǎng),方案2線型的尾流場(chǎng)更有利于提高推進(jìn)效率.雖然方案3的軸向伴流分?jǐn)?shù)較大,但其分布不如方案1及方案2來得均勻,該結(jié)論同隨后船模試驗(yàn)結(jié)果的結(jié)論是一致的.之所以用勢(shì)流計(jì)算原理同用粘性流計(jì)算原理所得略有差別,是因?yàn)榍罢邇H考慮了船體的興波,而后者不僅考慮了船體的興波還考慮了船體的粘流及渦流的影響,因此后者所得結(jié)論應(yīng)更較全面合理.3模型試驗(yàn)研究3.1水池快速性試驗(yàn)在開發(fā)研究之初,首先將上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司自主研發(fā)性能較優(yōu)良的35000噸散貨船的線型作為試驗(yàn)研究的基礎(chǔ),將該線型加工船模進(jìn)行水池快速性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果及航速預(yù)報(bào)如表2所示.3.22線程優(yōu)化方案2的模型試驗(yàn)在對(duì)原始線型進(jìn)行艏部改型優(yōu)化后再次進(jìn)行了水池模型快速性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果及航速預(yù)報(bào)如表3所示.3.3線優(yōu)化方案3的模型試驗(yàn)將船艏、艉部進(jìn)行第二次改型優(yōu)化后也進(jìn)行了水池模型快速性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果及航速預(yù)報(bào)如表4所示.4改型方案模型試驗(yàn)本船原線型經(jīng)兩次優(yōu)化后在改善阻力性能上取得了較明顯的效果,其興波阻力及總阻力均有顯著下降,方案2較方案1的總阻力系數(shù)Ct可下降4%以上,而方案3較方案1,總阻力系數(shù)Ct可下降8%左右.由于艏部線型優(yōu)化后改善了船艏部的興波及舭部的渦流,致使流經(jīng)船艉部的水流狀態(tài)有所改善,也即改善了艉部流場(chǎng),因此即使具有相同的艉部線型,方案2的推進(jìn)效率也要較方案1的高出約4%以上,而方案3的阻力性能雖較方案1及方案2為優(yōu),且阻力下降的幅度甚大,但由于其艉部改型后的伴流較大,且分布不夠理想,致使其總推進(jìn)效率下降,反映在采用相同的主機(jī)功率下其航速雖較方案1有所提高,但卻不及方案2,該試驗(yàn)結(jié)果同用粘流性原理計(jì)算的結(jié)果趨勢(shì)是相一致的.現(xiàn)將各方案的模型試驗(yàn)結(jié)果綜合比較如表5和表6所示.表中,下標(biāo)1為方案1;下標(biāo)2為方案2;下標(biāo)3為方案3.由表5和表6中的綜合比較可見,線型優(yōu)化后的船舶快速性能均較原始線型為優(yōu),特別是方案2不僅降低了船體阻力(即有效功率)也有效地提高了推進(jìn)效率,致使收到功率有較大幅度的下降,其收到功率在VS=14.00km左右下降可達(dá)9%以上,取得了較理想的成效.5項(xiàng)目研究的結(jié)論新一代綠色環(huán)保型35000噸散貨船的項(xiàng)目經(jīng)過近半年來的開發(fā)研究,運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法及模型試驗(yàn)的手段,通過線型優(yōu)化,獲得了比較理想的線型,取得了令人欣慰的成果,達(dá)到了預(yù)先的期望.1)通過本項(xiàng)目的線型優(yōu)化,使節(jié)能效果已可達(dá)9%左右.2)利用數(shù)值計(jì)算分析方法結(jié)合以往船舶線型設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行線型改型優(yōu)化是一種切實(shí)可行的好辦法.采用粘性流計(jì)算原理進(jìn)