基于阻力性能的高速双体船结构优化

冷江南 孙安欣 陈海斌 谢方伟 谢 飞 田祖织

（1.泰州市金海运船用设备有限责任公司，泰州 225300；2.中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221000）

高速双体船具有优良的耐波性和快速性，已成为船舶行业关注的重点[1-2]，且近年来开始运用于海上搜救[3]。如何优化高速双体船性能，成为众多研究者关注的目标。其中，双体船的快速性是船舶性能研究的重点之一。研究发现，可以通过降低高速双体船的航行阻力来提高航速[4]。

国内外很多研究学者做了大量工作，部分学者通过优化船舶主体尺寸实现减阻的目的。杜友威[5]、熊志鑫[6]利用STAR-CCM+优化船舶长宽比，得到了双体船航行阻力与片体长宽比的关系。袁文鑫将数值模拟与Lackenby相结合优化船体线型，可通过调整片体间距优化阻力性能[7]。CEPOWSKI使用神经网络优化了船舶长度、宽度等参数。DOGRUL通过模型实验研究了不同尺度下全尺寸传船舶阻力和水波动力性[8]。

部分学者更倾向于增加船尾附体，通过改善船尾流场来降低航行阻力。李乐宇在船首尾安装减摇鳍和压浪板，利用遗传算法对船体阻力进行优化求解[9]。张维英等人利用反向传播（Back Propagation，BP）神经网络优化带球艏油船的阻力[10]。张奕提出多岛遗传算法优化球鼻艏设计[11]。张贝研究了不同船尾附体对船舶阻力的影响，并基于组合算法进行优化[12]。在工程应用中，还可以对船体表面进行光滑处理，以降低船体表面粗糙度，降低摩擦阻力[13]。

综上所述，降低双体船航行阻力主要有优化船舶船型、增加船尾附体和船体光滑处理3种途径。本文采用船体光滑处理方法，在船尾增加压浪板，通过改变船尾端的流场减小航行阻力。

1 物理模型建立

以金海运船用设备有限公司的高速双体船为研究对象，通过SolidWorks建立三维模型，船长8.00 m，单侧船宽1.20 m，吃水0.36 m，船体间距2.20 m。为降低船体阻力，在船尾增加压浪板，以改变船尾端的流场，从而减少船体阻力。压浪板沿双体船尾部安装，L为压浪板长度，α为下反角，且α=8°，结构及安装形式如图1所示。

图1 双体船三维图

2 Fluent参数设置

在双体船的仿真计算中，船首的计算边界为压力入口，船尾为压力出口，船体表面及其他边界设为壁面。为防止回流，速度入口距船首为2倍船长，压力出口距船尾为3倍船长，侧壁面距船舷为1.5倍船长。因为船舶自由液面由水和空气两种流体组成，所以采用流体体积（Volume of Fluid，VOF）模型明渠流动捕捉自由液面，并采用k-omega湍流模型。利用平滑及网格重构的方法定义动网格区域，设置船体6个自由度信息。

3 仿真结果及分析

为研究压浪板长度对减阻率的影响，利用ANSYS Fluent仿真计算双体船在不同航速、不同长度下的航行阻力。航速选取v1=2.572 m·s-1、v2=5.144 m·s-1、v3=7.166 m·s-1，分别代表双体船在低、中、高速航行时的速度。船尾附体压浪板长度分别选取L1=150 mm、L2=175 mm、L3=200 mm、L4=225 mm、L5=250 mm。

图2为低、中、高3种速度下不同压浪板长度阻力随时间变化关系曲线。可以看出，3种速度下船体航行阻力随时间变化趋势基本一致。零时刻，阻力值急剧升高并迅速下降，然后围绕一定值波动并趋于稳定。这是因为船体在静水中突然行驶时，自身具有的惯性阻力会导致航行阻力急剧升高。随着时间的推移，船体稳定，阻力趋于稳定值。

图2 不同速度下不同长度压浪板阻力值

减阻率n的计算公式为

式中：Rold为未优化的航行阻力，N；Rnew为优化后的航行阻力，N。

由图3可知，3种速度下压浪板长度与减阻率不呈线性关系。在长度为150～250 mm时，减阻率先增后减。双体船在低、中、高速航行时，减阻率最大分别可达32.72%、23.11%和14.10%。此外，在本次仿真计算中，速度越小，减阻率越高，建议压浪板的长度控制在175～200 mm。

图3 减阻率与速度、压浪板长度关系曲线

4 结构优化

为获得双体船减阻率与航行速度和压浪板长度之间的关系，运用Matlab中Curve Fitting Tool工具箱，选用Polynomial函数拟合减阻率关于速度和压浪板长度的关系，拟合结果为

式中：f(x)为减阻率；x1为航行速度，m·s-1；x2为压浪板长度，mm。

为获得3种速度下压浪板的最优结构参数，利用Matlab遗传算法工具箱，以min=-f(x)为适应度函数，约束条件为式（3）进行优化，优化结果如表1所示。由表1可知，双体船在低、中、高速前进，压浪板长度分别选取192.76 mm、202.33 mm、191.09 mm时减阻率最大，分别为31.63%、20.31%、14.23%。为了加工和安装简便，取3种压浪板长度均值即195.40 mm时各速度下减阻率都达到最小。

表1 优化结果

5 结语

以金海运船用设备有限公司的高速双体船为研究对象，通过ANSYS Fluent得到双体船减阻率与速度、压浪板长度的关系，再利用Matlab计算得出减阻率、速度以及压浪板长度的数学模型，并通过遗传算法优化压浪板长度。结果表明：当双体船低速航行时，长度为192.76 mm的压浪板减阻率最好；当双体船中速航行时，长度为202.33 mm的压浪板减阻率最好；当双体船高速航行时，长度为191.09 mm的压浪板减阻率最好。综合考虑加工和安装情况，压浪板长度最终取195.40 mm。