王鳳琴，魏 斌

(1.紫瑯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226002;2.江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214151)

0 引言

東海的桁桿拖蝦作業(yè)，開始于20世紀(jì)70年代末［1］，80年代隨著蝦類資源調(diào)查的開展，開發(fā)了外海新的蝦類資源和漁場，拖蝦作業(yè)得到迅速發(fā)展，已成為海洋捕撈業(yè)中規(guī)模較大，產(chǎn)量較高的一大作業(yè)。但是漁業(yè)是一個高耗能、高風(fēng)險的產(chǎn)業(yè)，燃油成本占整個捕撈成本近70%。近年來，隨著柴油價格不斷上漲，拖蝦作業(yè)整體效益正逐年下降。為了應(yīng)對油價持續(xù)上漲，一方面，漁民延長海上作業(yè)時間，減少回港次數(shù)，節(jié)約燃油成本;另一方面，多年來國內(nèi)高校及科研機構(gòu)一直致力于節(jié)能船型的研究［2～6］。開展拖蝦漁船型優(yōu)化設(shè)計工作，可以促進漁業(yè)船舶環(huán)保、節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，提高拖蝦漁船的經(jīng)濟性能，加快漁業(yè)船舶標(biāo)準(zhǔn)化進程。

1 主要量度及母船型線改造

1.1 主要量度

1.2 母船型線改造

橫剖面面積曲線改造是運用母型船改造法生成設(shè)計船型線的基礎(chǔ)，其結(jié)果直接影響設(shè)計船的阻力性能、航行性能和營運經(jīng)濟性［7］。修改橫剖面面積曲線的基本原理為將各站橫剖面面積通過沿縱向移動一個距離來實現(xiàn)修改面積曲線特征值。

本文根據(jù)母型船的橫剖面曲線，應(yīng)用“1－Cp”法將橫剖面面積曲線分為前后半體，分別對其進行修改。方法為:將半體面積曲線及修改參數(shù)無因次化，僅改變棱形系數(shù)Cp，保留原有曲線基本形狀條件下修改得到新的橫剖面面積曲線。

設(shè)修改函數(shù)為:

該函數(shù)的邊界條件為:x=1.0時，δx=0。由約束條件:

得:a=δCPF/(1－CPF)，代入式(1)得:

對于后半體，同理可得修改量δx的表達式:

對于初始的面積曲線，通過近似積分計算得到CPA和CPF，應(yīng)用經(jīng)驗公式:

根據(jù)新船的XB、Cp估算出新船的CPF和CPA，從而求得 δCPF和 δCPA。

以上各公式中字母所表達的含義如下:

δx為各站橫剖面面積通過沿縱向(X)移動的距離;CP為棱形系數(shù);CPF為前半體棱形系數(shù);δCPF為CPF的修改量;CPA為后半體棱形系數(shù);δCPA為 CPA的修改量;xB為母船浮心縱向位置;XB為新船浮心縱向位置;a為數(shù)值;x為橫剖面在縱向位置。

利用母型改造方法設(shè)計型線，若橫剖面形狀和中剖面系數(shù)不做修改，那么橫剖面面積曲線修改后，可以利用插值的方法生成型線。在修改后的橫剖面面積曲線圖上，量取各站處新船與母型船橫剖面面積百分?jǐn)?shù)相同的距離δxi，然后在母型船的水線圖上距對應(yīng)站 δxi處量取各水線半寬 yij，再乘上 B/B0(型寬線性改造的比例值)，最后得到新船各站半寬型值。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

經(jīng)線型優(yōu)化后的4種船型通過FLUENT前處理軟件GAMBIT建立三維數(shù)值模型。由于船的左右對稱性，取1/2流場進行計算，取右手坐標(biāo)系O-XYZ，坐標(biāo)原點O位于艉柱基線高度，X軸指向船首為正，Z軸垂直向上為正。整個計算域呈1/4圓柱，入口邊界選取在離船前1個船長處，出口邊界取在距船尾2倍船長處，船側(cè)和深度半徑取1個船長，對稱面上設(shè)為對稱邊界?？紤]自由液面的影響，設(shè)空氣層的高度為2倍水線面高度，在自由面追蹤上采用流體體積(VOF)方法，流場計算方法采用SAMPLE算法，時間方向上采用一階格式隱式求解，空間方向上采用二階迎風(fēng)格式計算模型。

計算域的網(wǎng)格劃分過程中，整個計算域網(wǎng)格數(shù)在120萬左右，采用了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的方式進行網(wǎng)格劃分。為了較準(zhǔn)確地捕捉船體附近流場特性，在靠近船體區(qū)域設(shè)置較密網(wǎng)格，然后成一定膨脹系數(shù)向外布置。該方式使網(wǎng)格數(shù)目大幅消減，節(jié)約計算時間，提高計算效率。

4種不同橫剖面面積曲線的新船型在設(shè)計航速相同情況下實船的有效功率數(shù)據(jù)見表1，其中Fn為船舶傅汝德數(shù)，PE為有效功率。母船在設(shè)計航速時有效功率為190.16 kW。

表1 實船有效功率

從4種新船船型數(shù)值模擬計算結(jié)果可以得出，新船型繼承了母船型良好的阻力特性，其中新船Ⅲ優(yōu)化效果顯著，有效功率降低達2.84%，其型線圖如圖1所示。

圖1 拖蝦船線型圖

3 討論

母船改造法是傳統(tǒng)的船舶設(shè)計方法。它具有使新船型繼承母型的一些優(yōu)秀特征，并且方法簡單和實用的特點，在船舶型線改造設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。母船改造法要求已知母型型線的詳細(xì)描述，由設(shè)計者指定設(shè)計船型的前、后體的棱形系數(shù);同時它假定母型和子型的中橫剖面系數(shù)相同，通過改變母型的平行中體長度和進、去流段的棱形系數(shù)來得到具有設(shè)計要求的方形系數(shù)或棱形系數(shù)的新船型。

型線設(shè)計要考慮船舶良好的航海性、總布置要求、船體結(jié)構(gòu)合理和公益性、外觀造型，此外還應(yīng)該滿足型線設(shè)計精度的基本要求。隨著計算機軟硬件條件的不斷改善，計算機仿真技術(shù)的引入，使以往傳統(tǒng)的船舶設(shè)計、性能計算得到改進，進入一個科技含量更高的解析時代。計算流體動力學(xué)(CFD)在船舶工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，設(shè)計人員可以在較短的時間內(nèi)，利用CFD技術(shù)，精確地對船舶繞流場進行數(shù)值預(yù)報，分析船體的水動力性能。目前雖數(shù)值模擬不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)模型試驗，但是通過計算典型工況，分析優(yōu)化確定較優(yōu)的船型，可避免模型試驗的盲目性，縮短了試驗周期，節(jié)約了成本。本文利用母船改造法與數(shù)值模擬相結(jié)合的設(shè)計思路，對4種不同船型性能曲線進行仿真模擬，從中選出滿足給定性能指標(biāo)的最優(yōu)船型。圖2、圖3可以直觀的體現(xiàn)船體水動力諸多特性。

圖2 壓力云圖

圖3 自由液面

母船改造法型值人工生成插值生成型線的方法，工作量大，效率低。如何使用計算機通過人機交互的形式，實現(xiàn)船體型線的設(shè)計生成，使現(xiàn)代化高效率的程序在船舶設(shè)計中更加廣泛有效的得到應(yīng)用，是今后船型優(yōu)化研究工作的目標(biāo)。開發(fā)自動生成的計算程序，通過電子計算機的快速運算，使之能在滿足設(shè)計要求的前提下得到實用、光順而且優(yōu)美的船體型線，可以減輕設(shè)計人員的工作強度，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，縮短造船周期。

4 結(jié)語

母船改造法生成型線，主要改造內(nèi)容有主尺度變換、橫剖型線和水線形狀的改造、橫剖面面積曲線的改造、設(shè)計水線以上的型線、靜水力計算等。由于受諸多參數(shù)影響，存在不確定性，本文僅通過改造橫剖面面積曲線得到優(yōu)化船型。理想的船型最優(yōu)設(shè)計需要仿真計算與最優(yōu)化理論和方法進行有機的結(jié)合，組成多個典型計算工況，自動循環(huán)搜索最優(yōu)船型的數(shù)值，經(jīng)過分析優(yōu)化選取確定最優(yōu)船型，船模型試驗給予進一步的驗證。

［1］宋海棠，丁天明.東海北部拖蝦漁業(yè)的現(xiàn)狀與設(shè)立拖蝦休漁期的建議［J］.浙江水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報，1997，(4):256 －261.

［2］柴樹紅，林焰，遲云鵬，孟憲欽.金槍魚釣船船型優(yōu)化設(shè)計及性能試驗研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報，1998，(4):484 －488.

［3］吳志偉.木質(zhì)漁船船型技術(shù)狀態(tài)及改革思路［J］.漁業(yè)機械，2007，(2):74 －75.

［4］朱云翔，殷鐵成.雙艉鰭節(jié)能船型研究與試驗［J］.船舶，2003，(6):10 －14.

［5］杜月中.一種實用船型設(shè)計方法［J］.中國造船，2004，45(1):8－13.

［6］許晶，蔣乾緯，浦江紅，李忠剛.7萬噸級成品油船線型優(yōu)化設(shè)計［J］.中國造船，2006，47(2):114 －119.

［7］顧敏童.船舶設(shè)計原理［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2001.

［8］徐偉，曾志剛.船型標(biāo)準(zhǔn)化工程意義深遠(yuǎn)［J］.中國水運，2004，(4):11 －13.

［9］陶新，楊麗.淺談我國漁船船型標(biāo)準(zhǔn)化管理［J］.標(biāo)準(zhǔn)生活，2009，(1):80 －83.

［10］趙福波.我國漁船標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀與發(fā)展對策［J］.中國水產(chǎn)，2007，(11):65－67.