劉成崗1，毛筱菲2，吳銘浩2，陳　煜21中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢4300642武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063

基于響應(yīng)面的漁船球鼻艏參數(shù)分析及多航速自動(dòng)優(yōu)化

劉成崗1，毛筱菲2，吳銘浩2，陳煜2
1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064
2武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢430063

遠(yuǎn)洋金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船是一種中、高速的作業(yè)型船舶，加裝球鼻艏并進(jìn)行優(yōu)化可以有效降低其興波阻力。通過(guò)一種改造型值的球鼻艏變換方法，由球鼻艏的長(zhǎng)度、寬度、高度及尖點(diǎn)高度參數(shù)直接生成用于CFD計(jì)算的船體型值，可以快速探討球鼻艏對(duì)興波阻力的影響。興波阻力的計(jì)算采用Rankine源勢(shì)流理論，運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法生成球鼻艏參數(shù)對(duì)興波阻力影響的響應(yīng)面模型。該模型表明，各參數(shù)的影響是復(fù)雜且耦合的，難以呈現(xiàn)單調(diào)的規(guī)律性，且在不同航速下其影響規(guī)律也有差異。優(yōu)化球鼻艏的過(guò)程選用結(jié)合響應(yīng)面的快速優(yōu)化方法，通過(guò)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的對(duì)單一設(shè)計(jì)航速的優(yōu)化可能會(huì)出現(xiàn)在較低的服務(wù)航速下阻力增加的情形，而采用多個(gè)航速的阻力優(yōu)化方法則在設(shè)計(jì)航速與服務(wù)航速下同時(shí)具有減阻節(jié)能效果。

圍網(wǎng)漁船；球鼻艏參數(shù)分析；興波阻力；響應(yīng)面；多航速球鼻艏優(yōu)化

0　引言

金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船是一種性能要求較高的漁船，因作業(yè)時(shí)需要以超越魚(yú)群的速度全速行進(jìn)并與輔助小艇共同完成圍網(wǎng)任務(wù)，故其航速通?？蛇_(dá)14～18 kn［1］。在設(shè)計(jì)航速下，傅汝德數(shù)Fr＞0.3；在服務(wù)航速下，F(xiàn)r＞0.25，其中興波阻力占據(jù)了可觀的成分，而設(shè)計(jì)合適的球鼻艏可以有效減少興波阻力，利于高航速完成作業(yè)任務(wù)。作為一種特殊的艏部形式，球鼻艏的形狀千變?nèi)f化，若采用手工方法進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和比選，難以抓住其主要規(guī)律，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；而采用先進(jìn)的自動(dòng)優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)則可大幅減少設(shè)計(jì)中的人工工作量，使設(shè)計(jì)過(guò)程高效、可靠。

隨著船舶CFD與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已被廣泛運(yùn)用于船舶的整體與局部自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中［2-5］。以興波阻力為目標(biāo)的球鼻艏優(yōu)化，是典型的基于CFD的船體局部?jī)?yōu)化問(wèn)題。與全船整體自動(dòng)優(yōu)化類(lèi)似，要實(shí)現(xiàn)球鼻艏的自動(dòng)優(yōu)化需解決4大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，即球艏幾何外形的參數(shù)化表達(dá)和重構(gòu)技術(shù)、CFD數(shù)值分析技術(shù)、近似技術(shù)及最優(yōu)化技術(shù)［4-5］。對(duì)本文所研究的圍網(wǎng)漁船球鼻艏優(yōu)化而言，幾何參數(shù)化重構(gòu)技術(shù)即為球鼻艏的生成、變換與參數(shù)化控制，其中自動(dòng)生成的幾何模型應(yīng)與性能計(jì)算軟件自動(dòng)相連，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的精細(xì)數(shù)值計(jì)算；CFD數(shù)值分析技術(shù)則依賴(lài)可靠的理論方法，以完成具有球鼻艏船型的興波阻力計(jì)算；響應(yīng)面近似技術(shù)的運(yùn)用不僅可以提煉出受球鼻艏參數(shù)影響的數(shù)學(xué)模型，還可加速優(yōu)化效率，減少優(yōu)化時(shí)間。傳統(tǒng)的球鼻艏優(yōu)化主要是針對(duì)設(shè)計(jì)航速，在其他航速段并不能保證可以減小阻力。隨著EEDI指標(biāo)的推行，運(yùn)輸型船舶通過(guò)降低服務(wù)航速來(lái)降低能效指標(biāo)、優(yōu)化球鼻艏實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求已經(jīng)成為一種流行的做法。對(duì)于漁船這種作業(yè)與運(yùn)輸特點(diǎn)兼?zhèn)涞拇?，本文擬提出針對(duì)多個(gè)航速的多目標(biāo)最優(yōu)化技術(shù)，可在設(shè)計(jì)航速和服務(wù)航速時(shí)均能達(dá)到減阻節(jié)能的效果，以滿足圍網(wǎng)漁船全速作業(yè)圍網(wǎng)的任務(wù)要求和在服務(wù)航速下航行時(shí)節(jié)能的要求。

1　球鼻艏幾何重構(gòu)技術(shù)

1.1球鼻艏型線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

球鼻艏的型線設(shè)計(jì)是完成球鼻艏優(yōu)化的基本工作。由于球鼻艏的形狀復(fù)雜，控制參數(shù)多，一些學(xué)者便使用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法［6-7］利用樣條曲面生成球鼻艏，這可在不具備球鼻艏的船前直接生成球鼻艏并保證其與主船體光順連接，自由改變球鼻艏的形狀特征，但控制參數(shù)較多，曲面生成步驟復(fù)雜，不易進(jìn)行優(yōu)化。另一種常見(jiàn)的辦法是在已有球鼻艏的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，如疊加貝塞爾曲面法［8］、形狀融合法［9］。參數(shù)化船舶建模軟件Friendship-Framework提供的三角變換功能也可完成對(duì)球鼻艏形狀的局部重構(gòu)，其與阻力詳細(xì)計(jì)算軟件SH IPFLOW的無(wú)縫連接使其被廣泛應(yīng)用于球鼻艏的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中。更為簡(jiǎn)便的方法是直接對(duì)型值進(jìn)行改造［10-11］。本文所研究的金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船本身具備球鼻艏，采用基于球鼻艏形狀控制參數(shù)的型值改造變換方法可以快速完成球鼻艏變換，更加適用于自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

1.2球鼻艏自動(dòng)變換方法

球鼻艏雖然形狀復(fù)雜，但通?？梢圆捎脽o(wú)因次化的橫剖面積參數(shù)、側(cè)面積參數(shù)、體積參數(shù)、寬度參數(shù)、長(zhǎng)度參數(shù)以及高度參數(shù)等特征參數(shù)來(lái)表達(dá)［12］。

本文選用無(wú)因次化的長(zhǎng)度參數(shù)FL、橫剖面高度參數(shù)FZ、寬度參數(shù)FB，以及尖點(diǎn)高度參數(shù)FH這4個(gè)參數(shù)（圖1）。

圖1　球鼻艏形狀特征參數(shù)Fig.1 Characteristic parametersofbulb bow

采用簡(jiǎn)單的型值變換原理對(duì)母型船球鼻艏進(jìn)行改造，步驟如下：

1）確定變換坐標(biāo)系，以球鼻艏首垂線與基線的交點(diǎn)為變換坐標(biāo)系的原點(diǎn)，X，Y，Z方向分別為長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向。

2）在X，Y，Z這3個(gè)方向分別使用長(zhǎng)度拉伸系數(shù)CX、寬度拉伸系數(shù)CY和高度拉伸系數(shù)CZ對(duì)球鼻艏部分型值進(jìn)行仿射變換。

3）考慮到與船體的銜接，將球鼻艏切除線（為具備球鼻艏剖面在球鼻艏上方的第1個(gè)拐點(diǎn)）的垂向坐標(biāo)采用二次拋物線變換，對(duì)切除線以上部分型值進(jìn)行垂向平移，對(duì)切除線以下部分則采用對(duì)每一站對(duì)應(yīng)的橫向與縱向仿射系數(shù)進(jìn)行仿射變換。

4）球鼻艏尖點(diǎn)相對(duì)高度參數(shù)CH反映了尖點(diǎn)的位移，位移后的球鼻艏縱剖線采用二次拋物線變換，對(duì)每一站型值進(jìn)行對(duì)應(yīng)的垂向平移。在步驟3）與步驟4）中，采用的拋物線變換法是指利用簡(jiǎn)單的D Z(X)=AX2+B型式拋物線，在需要變換的區(qū)間兩端予以滿足，求出系數(shù)A與B，繼而得到每一個(gè)球鼻艏剖面的垂向位移量。

圖2為球鼻艏變換的幾何示意圖。根據(jù)以上原理，通過(guò)編寫(xiě)球鼻艏變換程序，完成球鼻艏的幾何重構(gòu)，自動(dòng)生成符合相關(guān)CFD軟件型值格式的船體與球鼻艏型值文件，可直接用于數(shù)值計(jì)算。

圖2　球鼻艏變換Fig.2 Transformation of bulb bow

2　基于響應(yīng)面的球鼻艏參數(shù)、興波阻力影響分析

2.1興波阻力數(shù)值計(jì)算

對(duì)于船舶興波阻力求解，勢(shì)流理論方法快速而有效［13］。本文興波阻力采用Shipflow軟件中基于三維Rankine源的勢(shì)流方法計(jì)算。母型船的主要尺度如表1所示。

表1　金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船主要尺度Tab.1 Principaldim ensionsof a purse seiner

船體網(wǎng)格劃分為船體（Hull）、球鼻艏（Bulb）、球艉（Boss）和船艉平臺(tái)（Overhang）4個(gè)區(qū)域。自由面劃分為前方自由面、中部自由面與尾部自由面，船艉區(qū)域取1.5倍船長(zhǎng)。網(wǎng)格劃分方式如表2和圖3～圖4所示，計(jì)算模型如圖5所示。

表2　船體網(wǎng)格劃分Tab.2 Hu llm esh

圖3　自由面網(wǎng)格劃分Fig.3 Panelmesh on free surface

圖4　球鼻艏網(wǎng)格劃分Fig.4 Panelmesh on bulb bow

圖5　計(jì)算模型Fig.5 Calculationmodel

2.2響應(yīng)面模型的建立

球鼻艏形狀對(duì)興波阻力的影響主要反映在球鼻艏的控制參數(shù)上，了解這些控制參數(shù)所起的作用，分析其影響的重要程度是設(shè)計(jì)球鼻艏的關(guān)鍵。在本文的研究中，為全面而高效地探索4個(gè)球鼻艏設(shè)計(jì)參數(shù)所構(gòu)成的設(shè)計(jì)空間，采取了一種基于響應(yīng)面的分析方法［14］。響應(yīng)面的數(shù)據(jù)來(lái)源于均布于全空間的超拉丁方法試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（Latin Hypercubes DOE），設(shè)計(jì)變量的選取范圍均為±15%，如表3所示。

表3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)變量范圍Tab.3 Range of variables in Design of Experiment（DOE）

響應(yīng)面模型的建立采用四次多項(xiàng)式，令

式中，下標(biāo)0表示與母型船相關(guān)的參數(shù)。由X1～X4構(gòu)成的響應(yīng)面的23個(gè)分項(xiàng)系數(shù)如表4所示。輸出指標(biāo)為詳細(xì)興波阻力計(jì)算所得到的興波阻力系數(shù)CW，該響應(yīng)面模型精度的相關(guān)系數(shù)為R2=0.989。通過(guò)建立響應(yīng)面，便可清晰、直觀地看出各參數(shù)的影響程度。

表4　球鼻艏參數(shù)對(duì)興波阻力影響的響應(yīng)面Tab.4 Coefficients of the response sur face of bu lb bow param eters'influences on wavem aking resistance

2.3球鼻艏參數(shù)對(duì)興波阻力影響分析

2.3.1球鼻艏縱剖面形狀的影響

球鼻艏的縱剖面形狀由FL和FH這2個(gè)參數(shù)控制，其與興波阻力構(gòu)成的響應(yīng)面在不同的橫剖面形狀控制參數(shù)下呈現(xiàn)出一定的不規(guī)律性。如圖6和圖7所示，當(dāng)FB=0.225，F(xiàn)Z=0.680時(shí)，球鼻艏的長(zhǎng)度系數(shù)增加，艏尖點(diǎn)略微下沉，此時(shí)可以降低設(shè)計(jì)航速時(shí)的興波阻力系數(shù)。然而當(dāng)FB=0.258，F(xiàn)Z=0.782時(shí)，響應(yīng)面呈現(xiàn)馬鞍形和多個(gè)阻力較小的區(qū)域，尖點(diǎn)下沉將不能減小興波阻力，這說(shuō)明這2個(gè)參數(shù)的影響規(guī)律并不單一，需要有較好的配比才具減阻效果。

圖6　 CW-FL-FH響應(yīng)面（FB=0.225，F(xiàn)Z=0.680，F(xiàn)r=0.326）Fig.6 CW-FL-FHresponse surface（FB=0.225，F(xiàn)Z=0.680，F(xiàn)r=0.326）

圖7　 CW-FL-FH響應(yīng)面（FB=0.258，F(xiàn)Z=0.782，F(xiàn)r=0.326）Fig.7 CW-FL-FHresponse surface（FB=0.258，F(xiàn)Z=0.782，F(xiàn)r=0.326）

球鼻艏的橫剖面形狀由寬度系數(shù)FB與高度系數(shù)FZ控制。通過(guò)響應(yīng)面（圖8、圖9）可以觀察到，相比于縱向控制參數(shù)，這2個(gè)系數(shù)對(duì)興波阻力的影響更為敏感，且受縱剖面形狀影響較小。對(duì)于本航速（Fr=0.326），F(xiàn)B在0.24附近時(shí)為最佳，而球鼻艏高度系數(shù)較大時(shí)比較有利。

圖8　 CW-FB-FZ響應(yīng)面（FL=0.058 7，F(xiàn)H=0.621，F(xiàn)r=0.326）Fig.8 CW-FB-FZresponse surface（FL=0.058 7，F(xiàn)H=0.621，F(xiàn)r=0.326）

2.3.2球鼻艏橫剖面形狀的影響

圖9　CW-FB-FZ響應(yīng)面（FL=0.0675，F(xiàn)H=0.621，F(xiàn)r=0.326）Fig.9CW-FB-FZresponsesurface（FL=0.0675，F(xiàn)H=0.621，F(xiàn)r=0.326）

2.3.3不同航速下球鼻艏參數(shù)的影響

圖10與圖11所呈現(xiàn)的響應(yīng)面分別為Fr=0.244、服務(wù)航速為12kn時(shí)球鼻艏縱剖面形狀參數(shù)與橫剖面形狀參數(shù)對(duì)興波阻力的影響。通過(guò)對(duì)比圖10與圖6可觀察到，長(zhǎng)度參數(shù)FL的影響趨勢(shì)在設(shè)計(jì)航速和服務(wù)航速這2個(gè)航速下相近，但FH的影響趨勢(shì)與Fr=0.326時(shí)相反，該值越小越有利。同時(shí)通過(guò)對(duì)比圖11與圖8可知，響應(yīng)面的“脊線”在不同航速時(shí)發(fā)生了較明顯的變化。橫剖面的2個(gè)參數(shù)均未對(duì)興波阻力產(chǎn)生單調(diào)的影響。

圖1　0CW-FL-FH響應(yīng)面（FB=0.225，F(xiàn)Z=0.680，F(xiàn)r=0.244）Fig.10CW-FL-FHresponsesurface（FB=0.225，F(xiàn)Z=0.680，F(xiàn)r=0.244）

圖1　1CW-FB-FZ響應(yīng)面（FL=0.0587，F(xiàn)H=0.621，F(xiàn)r=0.244）Fig.11CW-FB-FZresponsesurface（FL=0.0587，F(xiàn)H=0.621，F(xiàn)r=0.244）

通過(guò)以上分析可知，球鼻艏控制參數(shù)相互耦合對(duì)興波阻力系數(shù)的影響極其復(fù)雜，在不同航速下，由于產(chǎn)生了不同的消波效應(yīng)，參數(shù)的影響呈現(xiàn)出非單調(diào)性，難以通過(guò)一般的規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，需采用單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化的手段找到最適合的參數(shù)搭配。

3　基于響應(yīng)面的球鼻艏優(yōu)化

3.1設(shè)計(jì)航速下的球鼻艏優(yōu)化

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法形成的響應(yīng)面不僅可以觀察到各變量對(duì)興波阻力的影響，也可作為目標(biāo)函數(shù)運(yùn)用到優(yōu)化過(guò)程中。在相應(yīng)的響應(yīng)面近似模型上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算不僅能大大減少直接調(diào)用CFD軟件進(jìn)行計(jì)算的時(shí)間，也能平滑設(shè)計(jì)空間的數(shù)值噪聲，防止數(shù)值優(yōu)化方法陷入局部極值點(diǎn)［5，14］。

3.1.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及過(guò)程

球鼻艏優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型如下：

對(duì)應(yīng)的航速為設(shè)計(jì)航速16kn，F(xiàn)r=0.326。各設(shè)計(jì)變量范圍與試驗(yàn)設(shè)計(jì)的變量范圍保持一致，可參見(jiàn)表3。

為滿足船舶浮態(tài)要求，排水量和濕面積的變化應(yīng)不超過(guò)0.5%，約束條件如表5所示。

表5　約束條件Tab.5Constraints

優(yōu)化采用組合優(yōu)化策略進(jìn)行，其中全局尋優(yōu)采用多島遺傳算法MIGA，局部尋優(yōu)采用廣義既約梯度方法GRG法［5，14］。共經(jīng)歷了3514次迭代，得到最優(yōu)解船型，命名為優(yōu)化船I。迭代歷程如圖12所示。優(yōu)化船I的球鼻艏參數(shù)、濕表面積與排水量如表6所示。

圖12　全局尋優(yōu)歷程Fig.12Globalsearch

表6　優(yōu)化船I球鼻艏參數(shù)Tab.6Bulbbowparametersofoptimal-I

3.1.2優(yōu)化結(jié)果分析

圖13與圖14展示了球鼻艏優(yōu)化后，設(shè)計(jì)航速下的興波波形圖與波切面圖。從中可明顯看到，優(yōu)化球鼻艏有效降低了船艏肩處的第1個(gè)波系，這得益于球鼻艏產(chǎn)生的有利波系干擾，而對(duì)船艉的波系影響不大。

圖13　波形圖Fig.13Wavepattern

圖14　波切面圖（Y=0.2LPP）Fig.14Wavecutprofile（Y=0.2LPP）

表7和圖15顯示了母型船與優(yōu)化船I在12～17kn航速下的興波阻力系數(shù)及曲線。從中可以看出，針對(duì)設(shè)計(jì)航速的興波阻力優(yōu)化，在Fr＞0.29及以上的航速段取得了較好的效果，興波阻力在15，16，17kn時(shí)分別減小了10.03%，17.35%和17.38%；而在Fr＜0.28的航速段（12～14kn），興波阻力有一定的增大，說(shuō)明單個(gè)設(shè)計(jì)航速點(diǎn)的球鼻艏優(yōu)化在設(shè)計(jì)航速附近可降低阻力，但在較低服務(wù)航速附近航行時(shí)阻力反而有所增加，從而有可能增加航行階段的能耗。為既能滿足本船圍網(wǎng)捕魚(yú)時(shí)沖擊高速的需求，又能滿足航行時(shí)的節(jié)能降耗，需要采用多航速點(diǎn)優(yōu)化來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。

表7　優(yōu)化船I與母型船興波阻力系數(shù)比較Tab.7 Comparison of wave resistance coefficients between original andoptimal-Iships

圖15　優(yōu)化船I與母型船興波阻力系數(shù)曲線比較Fig.15Comparisonofwaveresistancecoefficientcurves betweenoriginalandoptimal-Iships

3.2多航速下的球鼻艏優(yōu)化

與單航速阻力優(yōu)化類(lèi)似，多航速下的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型如式（4）：

相關(guān)約束條件同表3和表5。

本文中選取Fr1=0.25，F(xiàn)r2=0.326，分別對(duì)應(yīng)于服務(wù)航速和設(shè)計(jì)航速。優(yōu)化采用支持多目標(biāo)優(yōu)化的非支配遺傳算法NSGA-II。非支配遺傳算法更加適用于該類(lèi)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，而改進(jìn)的非支配遺傳算法NSGA-II則采用了更快速的精英算法，可大幅提高運(yùn)算效率［15］。經(jīng)過(guò)5000余次迭代，得到如圖16所示的Pareto前沿解集，通過(guò)人工決策方式，選擇了兩個(gè)航速下興波阻力系數(shù)均較低的前沿解，命名為優(yōu)化船II，其球鼻艏參數(shù)如表8所示。圖16同時(shí)還標(biāo)注出了母型船、優(yōu)化船I這2個(gè)解在解空間中的位置，可以注意到，優(yōu)化船I的解靠近了Pareto解集的最邊緣，說(shuō)明船體在不同航速下的阻力系數(shù)可能是矛盾的關(guān)系，在進(jìn)行阻力優(yōu)化時(shí)，需要從全航速的角度出發(fā)，既要保證船舶的最高航速，又要滿足節(jié)能航行的需求。

圖16　多航速興波阻力優(yōu)化Pareto前沿解集Fig.16 Pareto solutionsofmulti-speed wave resistance optimization

表8　優(yōu)化船II球鼻艏參數(shù)Tab.8 Bulb bow param etersof op tim al-II

表9為優(yōu)化船II與母型船的計(jì)算興波阻力系數(shù)對(duì)比。圖17為母型船、優(yōu)化船I與優(yōu)化船II這3個(gè)方案的興波阻力系數(shù)曲線比較。從中可以看到，優(yōu)化船II在服務(wù)航速時(shí)的興波阻力系數(shù)計(jì)算值和母型船相比減小了6.3%，在設(shè)計(jì)航速時(shí)減小了9.36%，在航速13～15 kn之間，優(yōu)化船II的興波阻力系數(shù)與母型船相比并未增加，說(shuō)明這一方案在全速航行作業(yè)和服務(wù)航速航行時(shí)都具有較好的節(jié)能效果。

圖18為3種球鼻艏的比較圖。從縱剖面來(lái)看，2個(gè)優(yōu)化后的球鼻艏均伸長(zhǎng)了，這改善了干擾波系形成的位置，同時(shí)，優(yōu)化船I的上翹較明顯，增強(qiáng)了波系的強(qiáng)度，符合高航速下用“SV球鼻艏”的理念。從橫剖面看，2個(gè)優(yōu)化船的球鼻艏高度均增加了，這是因?yàn)楦叨仍黾樱虮囚茧x水面更近，產(chǎn)生的有利干擾便更強(qiáng)烈。而優(yōu)化船II的球艏高度看起來(lái)要比優(yōu)化船I小一些，反映了一種滿足不同航速要求下的“折中”選擇。

表9　優(yōu)化船II與母型船興波阻力系數(shù)比較Tab.9 Com parison ofwave resistance coefficients between original and optim al-IIships

圖17　優(yōu)化船與母型船興波阻力系數(shù)曲線比較Fig.17 Comparison ofwave resistance coefficient curvesbetween original and optimalships

圖18　三種船型的球鼻艏剖面對(duì)比圖Fig.18 Comparisons ofbulb bow profilesof the three ships

4　模型試驗(yàn)

金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船母型船與優(yōu)化船I的阻力試驗(yàn)在武漢理工大學(xué)的船模拖曳水池進(jìn)行。船模為光體，試驗(yàn)得到的阻力按三因次法換算為總阻力。圖19為修改后的優(yōu)化船I的船體模型。

圖19　優(yōu)化船I船體模型Fig.19 Shipmodelofoptimal-I

理論求解得到的總阻力按下式計(jì)算：

式中：CF由相當(dāng)平板公式得到；k由Holtrop公式得到［16］；CW為由勢(shì)流計(jì)算得到的興波阻力。

圖20為母型船與優(yōu)化船I的模型試驗(yàn)值及理論計(jì)算值比較?？梢钥闯?，計(jì)算的結(jié)果趨勢(shì)與試驗(yàn)是吻合的。試驗(yàn)中，優(yōu)化船I在設(shè)計(jì)航速為16 kn時(shí)總阻力有5.09%的減阻效果，同時(shí)也驗(yàn)證了本船計(jì)算中對(duì)設(shè)計(jì)航速優(yōu)化可能導(dǎo)致服務(wù)航速中阻力增加的情況。不過(guò)，在較低航速時(shí)阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值有一定的誤差，其原因可能有2點(diǎn)：一是粘性阻力經(jīng)驗(yàn)公式的值與實(shí)際船模試驗(yàn)值間的誤差；二是為維持不同航速下興波阻力計(jì)算和自動(dòng)優(yōu)化的穩(wěn)定性，本文對(duì)興波阻力的計(jì)算網(wǎng)格更偏重于計(jì)算的收斂性，造成了少許精度損失。

圖20　船模試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算阻力曲線對(duì)比Fig.20 Comparison of resistance curvesbetween model testand numericalanalysis

5　結(jié)論

本文采用了一種直接基于球鼻艏特征參數(shù)的球鼻艏型值變換方法，探索了金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船4個(gè)控制參數(shù)與船體興波阻力間的聯(lián)系，完成了一系列優(yōu)化計(jì)算，得到以下主要結(jié)論：

1）結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法與響應(yīng)面方法，生成了不同航速下各球鼻艏參數(shù)對(duì)興波阻力影響的響應(yīng)面。響應(yīng)面揭示了球鼻艏各參數(shù)之間復(fù)雜的耦合影響：球鼻艏橫剖面內(nèi)的控制參數(shù)對(duì)興波阻力的影響程度要強(qiáng)于縱剖面內(nèi)的，除球鼻艏增長(zhǎng)會(huì)降低興波阻力外，其他各參數(shù)均沒(méi)有特定的規(guī)律。

2）將基于響應(yīng)面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于球鼻艏的設(shè)計(jì)，采取組合優(yōu)化的策略，可以快速、有效地得到優(yōu)化解。

3）不同航速下，球鼻艏參數(shù)的影響規(guī)律不統(tǒng)一。這說(shuō)明對(duì)設(shè)計(jì)航速來(lái)說(shuō)較好的球鼻艏在其他航速下并不一定能達(dá)到節(jié)能效果。僅針對(duì)設(shè)計(jì)航速的優(yōu)化結(jié)果（優(yōu)化船I）在16 kn設(shè)計(jì)航速下時(shí)減小興波阻力17.35%，但在其他航速段興波阻力出現(xiàn)了增加。模型試驗(yàn)也反映了這一問(wèn)題。而針對(duì)多航速的興波阻力優(yōu)化（優(yōu)化船II）則可以控制服務(wù)航速和設(shè)計(jì)航速之間各速度點(diǎn)的阻力性能，有助于經(jīng)濟(jì)航速下的節(jié)能降耗。

4）在Vs=16 kn，F(xiàn)r=0.326時(shí)，優(yōu)化船I呈現(xiàn)上翹的SV型，球鼻艏的寬度和高度均增加。而優(yōu)化船II的設(shè)計(jì)點(diǎn)更偏重于服務(wù)航速，球鼻艏橫剖面顯得瘦削，球鼻艏略為下沉。

此外，在船舶阻力的優(yōu)化中，以往常采用針對(duì)設(shè)計(jì)航速進(jìn)行優(yōu)化的做法來(lái)滿足速度指標(biāo)的需求，然而隨著EEDI指標(biāo)的執(zhí)行，船舶降低服務(wù)航速的方法已經(jīng)被廣泛采用，單一的針對(duì)設(shè)計(jì)航速的優(yōu)化已不能滿足節(jié)能降耗的要求。本文所實(shí)現(xiàn)的多航速優(yōu)化，也為EEDI指標(biāo)下的船體型線阻力優(yōu)化提供了思路。

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［責(zé)任編輯：盧圣芳］

Parameter investigation and multi-speed automatic optimization of fishing vessel's bulb bow based on the response surface

LIU Chenggang1，MAO Xiaofei2，WU Minghao2，CHEN Yu2
1 China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China
2 Schoolof Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China

The pelagic tuna purse seiner is amedium-high speed fishery vessel.To reduce its wave resistance，an optimized bulbous bow is usually installed.In order to effectively investigate the bulb bow effect on the wave resistance，a bulb bow transformation method is developed in this paper，through which the bulb bow offsets are transformed into length，breadth，height，and fore-point height parameters and directly used in CFD calculation.The wave resistance is then solved with the Rankine source panel method.Using the method of experimental design，a response surface model of bulb bow parameter effect on wave resistance is generated.The response surface model indicates that the influences are rather complex，coupled and irregular，and the exact rules differ with speed.Finally，a fast optimization method based on the response surface is applied into the bulb bow optimization，and it is noticed that the optimal solution for the design speed could yield worse resistance performance under service speed，while the multi-speed optimization method is more effective for the resistance reduction and energy saving under both design speed and service speed.

purse seiner；bulb bow parameters investigation；wavemaking resistance；response surface model；multi-speed bulb bow optimization

U611.31+1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.007

2014-10-21網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-7-28 17:25:22

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心研發(fā)基金資助項(xiàng)目

劉成崗，男，1982年生，碩士，工程師。研究方向：漁船總體設(shè)計(jì)。E-mail：18627088387@163.com毛筱菲（通信作者），女，1962年生，教授。研究方向：船舶水動(dòng)力性能和船型優(yōu)化。E-mail：mxfzh@wut.edu.cn吳銘浩，男，1988年生，博士生。研究方向：船舶水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail：wuminghao1988@gmail.com