徐 偉

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

波浪能滑翔器（Wave Glider）是近年來出現(xiàn)的一種新型海洋觀測平臺(tái)。它由水面母船和水下牽引機(jī)兩部分構(gòu)成，能夠利用其特殊的雙體結(jié)構(gòu)將波浪上下起伏的勢能轉(zhuǎn)化為其前進(jìn)的動(dòng)能[1]。因此它可以擺脫傳統(tǒng)海洋觀測手段對(duì)化石能源的依賴，具有觀測周期長、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。在這方面，美國的Liquid Robotics公司技術(shù)最為成熟，其研制的SV2、SV3型波浪能滑翔器已被應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、海洋科學(xué)研究以及軍事等多個(gè)領(lǐng)域[2]。在2012年12月，其布放的4個(gè)波浪能滑翔器完成了橫渡太平洋的航行任務(wù)，總航程超過9 000 nmile，創(chuàng)下了自主航行器行駛路線最長的世界紀(jì)錄。國內(nèi)對(duì)其的研究主要還處在樣機(jī)的仿制階段。賈麗娟[3]應(yīng)用Fluent軟件對(duì)水翼的翼型、間距、擺角等做了分析研究。杜曉旭[4]基于Kane方程建立波浪能滑翔器動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了二維運(yùn)動(dòng)仿真。李小濤[5]對(duì)波浪能滑翔器做了動(dòng)力學(xué)建模仿真和航行性能的研究。然而，作為對(duì)阻力有關(guān)鍵影響的母船線型部分，相關(guān)的研究工作較少。一個(gè)良好的線型能有效降低阻力，從而提高波浪能滑翔器的航速，進(jìn)而提升其經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)波浪能滑翔器的母船線型做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過數(shù)值仿真對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 Friendship參數(shù)化建模

在母船方案設(shè)計(jì)和方案論證階段，需要頻繁修改船型設(shè)計(jì)方案或快速生成多種可選設(shè)計(jì)方案。為確保方案論證過程中能擁有更準(zhǔn)確、更詳盡的技術(shù)數(shù)據(jù)，需要在方案設(shè)計(jì)階段就建立三維的船體幾何模型。參數(shù)化技術(shù)正是通過約束關(guān)系，利用主要參數(shù)修改來快速進(jìn)行方案修改的一種設(shè)計(jì)手段。

1.1 水面母船的初步設(shè)計(jì)

由于波浪能滑翔器航速較低，產(chǎn)生的興波可以忽略，總阻力主要由摩擦阻力和粘壓阻力構(gòu)成，摩擦阻力主要取決于船體的濕表面積，橫剖面形狀宜采用V形，這樣可減少濕面積，從而減小摩擦阻力，同時(shí)它的水下部分較瘦，易于使水流沿縱剖線方向流動(dòng)，可減少舭部產(chǎn)生的漩渦，對(duì)阻力性能有利。

參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)水面母船進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，水面母船的總長取為3.6 m，寬度取為0.82 m，甲板高度取為0.38 m，吃水為0.28 m，排水量大約為450 kg。

1.2 特征參數(shù)

在母船的全參數(shù)化建模中，特征參數(shù)決定了船型的縱向特征曲線、橫剖面曲線，并最終決定船體外形，直接影響設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

對(duì)于該船，可以將特征參數(shù)[6]分成3類，一類是表征船型主要特征的參數(shù)，如主尺度、方形系數(shù)等；一類是構(gòu)建縱向特征曲線需要用到的參數(shù)，如尾封板位置、設(shè)計(jì)水線豐滿度等；第3類是生成橫剖面曲線所需的特征參數(shù)，如舭部半徑、水線外飄角等。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，確定合理的特征參數(shù)的值。

1.3 縱向特征曲線

縱向特征曲線是沿船長方向生成橫剖面曲線以及船體面所需要的光順曲線，它們對(duì)船體曲面的光順性和流體性能具有重要影響，因此縱向曲線的設(shè)計(jì)是該船參數(shù)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。也可以將縱向特征曲線分成為縱向位置曲線、縱向積分曲線和縱向微分曲線3類。其中平邊線（FOS）、平底線（FOB）、設(shè)計(jì)水線（DWL）等都屬于縱向位置曲線，而對(duì)水動(dòng)力性能影響非常大的橫剖面面積曲線（SAC），很顯然屬于縱向積分曲線，而角度分布就屬于縱向微分曲線，圖1給出了本文用到的部分縱向特征曲線。

1.4 橫剖面曲線

在建立橫剖面曲線時(shí)，需要借助Friendship的Curve Engine功能。Curve Engine組合了一個(gè)定義的“模板”曲線和該曲線的連續(xù)分布。該“模板”曲線通過Feature[7]定義，并包含數(shù)個(gè)生成該曲線所需要的參數(shù)，Curve Engine獲取該定義并建立與參數(shù)的函數(shù)分布間的聯(lián)系。對(duì)于任意給定的橫坐標(biāo)，“模板”曲線可以從函數(shù)關(guān)系得到需要的參數(shù)值生成某一曲線。為保證生成面的UV度一致，通常按照從中縱剖面輪廓線到甲板邊線的順序生成橫剖面曲線。

圖 1 縱向特征曲線Fig. 1 Longitudinal characteristic curves

1.5 生成船體曲面

FRIENDSHIP的Meta Surface功能是基于任意的復(fù)雜的曲線描述的參數(shù)化曲面，通過Curve Engine功能可以方便的對(duì)幾何面進(jìn)行修改變換。由于船體曲面的復(fù)雜性，常常需要根據(jù)不同的位置，定義不同的曲線模板（即Curve Engine），從而船體曲面通常由幾個(gè)光順連接的曲面構(gòu)成。圖2給出了運(yùn)用Friendship軟件生成的船體曲面，它由6個(gè)面組成的，但從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該船體曲面非常光順。

圖 2 船體曲面Fig. 2 The ship surface

2 線型優(yōu)化計(jì)算

2.1 優(yōu)化方法

在獲得參數(shù)化模型后，需要對(duì)該船進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Friendship軟件的設(shè)計(jì)引擎功能可以實(shí)現(xiàn)線型的優(yōu)化計(jì)算，它包含嵌入的變量和最優(yōu)化策略。嵌入的變量包含設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)參數(shù)，通過設(shè)置設(shè)計(jì)變量的范圍，采用Friendship軟件集成的優(yōu)化方法，就可以進(jìn)行單目標(biāo)或者多目標(biāo)的優(yōu)化計(jì)算。在該船的優(yōu)化中，我們主要使用Ensemble Investigation方法確定設(shè)計(jì)參數(shù)的變換范圍，用Sobol方法進(jìn)行以總阻力最小為目標(biāo)的優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化的基本流程為：首先對(duì)初步線型進(jìn)行計(jì)算，選擇總阻力最小為目標(biāo)，而排水量作為約束條件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，并確定設(shè)計(jì)參數(shù)的合理范圍，采用Sobol方法進(jìn)行多輪優(yōu)化計(jì)算，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

2.2 優(yōu)化采用的CFD軟件

Friendship軟件可以與Shipflow軟件進(jìn)行自動(dòng)連接，構(gòu)成完整的研發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的協(xié)同作業(yè)。由于該船主要針對(duì)粘性阻力進(jìn)行優(yōu)化，需要考慮CFD軟件的計(jì)算效率。Shipflow軟件采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分和分區(qū)計(jì)算模式（見圖3），具有極高的計(jì)算效率，非常適合多方案選優(yōu)的趨勢計(jì)算。

圖 3 船體周圍流場劃分Fig. 3 The flow field around the ship

2.3 優(yōu)化分析

圖4給出了部分設(shè)計(jì)參數(shù)與總阻力間的變化關(guān)系。從圖中可以看到，在選擇的6個(gè)參數(shù)中，圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）和圖4（e）參數(shù)的改變對(duì)總阻力的影響不顯著，相關(guān)性不強(qiáng)。而圖4（d）隨著該參數(shù)的增大，總阻力逐步減小，在對(duì)母船進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，該參數(shù)取值應(yīng)較大些更合適。而對(duì)于圖4（f）總阻力隨該參數(shù)增大先減小而后增大，在設(shè)計(jì)取值時(shí)，應(yīng)選擇該參數(shù)在中間附近的值?？紤]到各個(gè)參數(shù)間的交互效應(yīng)，需要對(duì)這些重要參數(shù)進(jìn)行多輪優(yōu)化，從而找到最佳的設(shè)計(jì)方案。

3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證方法

圖 4 部分設(shè)計(jì)參數(shù)與總阻力變化關(guān)系Fig. 4 The changing relationship between the total Drag and part of the design parameters

選取優(yōu)化得到的最佳方案，通過Star-ccm+進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證。計(jì)算域取船前1.5倍船長，船后2.5倍船長。同時(shí)，在水面和開爾文波處進(jìn)行加密，壁面y+值控制在60左右，生成的網(wǎng)格如圖5所示，網(wǎng)格量為150萬。采用SSTk-ω模型，時(shí)間步長取0.001 s，對(duì)幾個(gè)設(shè)計(jì)航速下的總阻力進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值仿真。

圖 5 母船計(jì)算域與網(wǎng)格Fig. 5 The fluid and mesh of the ship

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)過計(jì)算，得到給定航速下母船總阻力隨時(shí)間變化的曲線圖（見圖6）。由圖得計(jì)算結(jié)果在80 s后趨于穩(wěn)定。取100～150 s內(nèi)力的平均值作為仿真的結(jié)果。

圖 6 母船總阻力隨時(shí)間變化曲線圖Fig. 6 The curve of total ship resistance changing with time

分別計(jì)算幾組不同航速下的總阻力值，與初始線型的比較結(jié)果見表1。

表 1 母船總阻力優(yōu)化結(jié)果Tab. 1 Results of the optimized total ship resistance

4 重心及掛點(diǎn)位置確定

波浪能滑翔器母船不同于普通船，其前中部還將受到繩纜拉力的影響。因此需要確定合理的重心和繩纜掛點(diǎn)位置來提高母船航行時(shí)的穩(wěn)定性。

如圖7，母船受重力G，浮力B以及拉力T。由于縱傾過程中排水體積變化較小，認(rèn)為漂心位置保持不變，并以此作為系統(tǒng)參考點(diǎn)。重心縱向位置距漂心L1，掛點(diǎn)縱向位置距漂心L2，正浮浮心縱向位置距漂心L3，拉力與鉛垂線的夾角為α。

則系統(tǒng)對(duì)漂心的力矩平衡方程為：

圖 7 船體受力示意圖Fig. 7 The hull’s free-body diagram

同時(shí)，為了使船在航行過程中阻力和穩(wěn)性達(dá)到最優(yōu)，對(duì)其提出以下幾個(gè)要求：

1）繩子松弛時(shí)出現(xiàn)尾傾，要求上甲板不沒入水中；

2）繩子張緊至最大拉力時(shí)發(fā)生首傾，要求上甲板不沒入水中；

3）繩子的平均拉力滿足式（1）。

對(duì)于（1）（見圖8），若此時(shí)船不受拉力，只受重力和浮力，則船在這種狀態(tài)下保持平衡的條件是重心和浮心在同一鉛垂線上，因此可以確定船重心的最小縱向坐標(biāo)與此時(shí)浮心縱向坐標(biāo)相同為XG1，即可得到L1最大值。

對(duì)于（2）（見圖9），假定此時(shí)船在只受重力和浮力的作用下處于平衡狀態(tài)，此時(shí)重心的縱向坐標(biāo)為XG2，設(shè)正浮狀態(tài)下浮心縱向坐標(biāo)為Xb0。

則在正浮狀態(tài)下船所能承受的最大縱傾力矩M為：

圖 8 尾傾極限狀態(tài)Fig. 8 The limiting condition of aft trim

圖 9 首傾極限狀態(tài)Fig. 9 The limiting condition of forward trim

從而系統(tǒng)對(duì)漂心的力矩需滿足：

同時(shí)，假設(shè)在最大縱傾力矩下船處于這種首傾的極限狀態(tài)，則T和L2均達(dá)到最大值，當(dāng)T或L2繼續(xù)增大船首將沒入水中，應(yīng)當(dāng)避免。在此條件下L2最大值取為。根據(jù)此時(shí)的力矩平衡關(guān)系可以求得L1的最小值。先由正浮狀態(tài)下系統(tǒng)平衡總力矩為0得：

再由首傾極限狀態(tài)下靜力平衡得：

其中：T1，T2為T的兩個(gè)同向分量；B1為該狀態(tài)下的浮力。則L1，L2滿足關(guān)系：

根據(jù)初步仿真得到的繩子拉力值T和夾角α及當(dāng)前的L2最大值可以求得L1的最小值。

再由不等式（3），得

L1取最小值，取最大值時(shí)，L2取得最大值。

再將仿真得到的平均拉力T、平均夾角α及L1的取值區(qū)間代入式（1），可求得L2的取值范圍，結(jié)合不等式（7）得到修正的L2取值區(qū)間。最終，以尾封板處為原點(diǎn)，得到重心的縱向坐標(biāo)范圍為1.27～1.65 m，掛點(diǎn)位置的縱向坐標(biāo)范圍為1.90～2.24 m。

5 結(jié) 語

本文通過應(yīng)用Friendship的Feature二次開發(fā)功能，結(jié)合Sobol優(yōu)化算法，對(duì)波浪能滑翔器母船的優(yōu)化設(shè)計(jì)做了研究。同時(shí)，應(yīng)用CFD軟件Star-ccm+對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。最后對(duì)影響母船穩(wěn)性的重心及掛點(diǎn)位置做了初步的分析。結(jié)論如下：

1）參數(shù)化建模的方法有效且可靠，能極大地縮短母船體的設(shè)計(jì)周期。

2）優(yōu)化后總阻力較初始線型減小8%左右，優(yōu)化結(jié)果比較理想。

3）重心位置和掛點(diǎn)位置的初步分析對(duì)于后續(xù)的設(shè)計(jì)有很大的參考價(jià)值。

本文僅從阻力方面對(duì)波浪能滑翔器的母船線型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在今后的研究中還將考慮母船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、艙室布置等問題。同時(shí)，優(yōu)化的結(jié)果僅靠數(shù)值仿真驗(yàn)證是不夠的，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證。

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