兴波阻力数值预报方法研究及其在集装箱船船型优化中的应用

集装箱船作为一种中高速船，其兴波阻力在总阻力中所占比例较高。从某种意义上讲，船型优化就是寻求最小兴波阻力的船型。本文采用基于势流理论的面元法预报集装箱船的兴波阻力，对两种计算兴波阻力的方法进行了研究比较：第一种是改进的Dawson方法，传统的Dawson方法采用静水面上的叠模流线网格，而改进的Dawson方法是采用静水面上的贴体网格来计算兴波阻力；第二种方法是单模流动法。文中利用这两种方法计算了两条集装箱船，通过和试验值比较，发现这两种方法在设计航速附近的一定范围内都能正确地识别船型变化对兴波阻力的影响，验证了这两种数值预报方法都可以用于船型优化。但是改进的Dawson方法的计算结果更接近实验值，因此改进的Dawson方法更适用于船型优化。     

基于MOPSO算法的船舶兴波阻力多目标优化

粒子群优化算法(PSO)是一种进化算法,它与遗传算法相比,不需要编码,没有交叉和变异操作,粒子只是通过内部速度进行更新,因此,易于实现。另外,PSO算法具有较好的记忆,好的解的知识所有粒子都保存,因此收敛速度较快。Multi Objective Particle Swarm Optimization(MOPSO)算法是适应多目标优化的粒子群算法。该文基于MOPSO算法和Neumann-Michell理论对KCS在给定两个航速下的兴波阻力性能进行综合优化。以船型变换参数为设计变量,兴波阻力为目标函数,采用自由变形方法(FFD)对船舶首部和船体后半体进行变形,通过OPTShip-SJTU求解器优化兴波阻力。通过自编MOPSO算法对多目标函数进行优化,成功得到系列优化船型。并选择3个优化船型与母型船进行进一步的数值模拟,对比分析。     

最小阻力船型优化研究

本文基于线性兴波阻力理论，把控制尾流分离作为约束条件，利用优化计算方法对设计水线下船体外形进行优化研究。以数学船型Ｗｉｇｌｅｙ船型为母型进行了计算，分别讨论了最小兴波阻力船型和最小总阻力船型的确定方法，并将所得到的改良船型进行了船模阻力试验，结果证实了本优化设计方法的可靠性。     

Kelvin源求解船行波及其在总阻力估算上的应用

针对船行波与船体总阻力预报,采用Kelvin源格林函数的远场波动项及其偏导数在水平线段上的解析积分公式计算Wigley船型、S60船型的兴波问题和船体表面速度分布。基于兴波问题所得的速度分布计算船体面元的局部雷诺数和摩擦阻力系数,又根据巴普米尔经验公式估算黏压阻力系数从而进一步求解船舶总阻力系数,对比该文方法所得的船舶总阻力系数和实验测量数据,证明该文的方法可以准确高效地计算船舶总阻力。     

高速三体船兴波阻力与片体布局优化研究

本文据线性兴波阻力理论推导了辅船体与主船体水下体积不相等情况下的兴波阻力计算公式，据此以数学船型作为片体对高速三体船片体兴波干扰规律、兴波阻力曲线规律进行了研究，并采用简单枚举与等值线图谱相结合的方法对片体布局优化问题进行了探讨。     

水面船非线性兴波数值方法研究

本文在线性兴波数值方法的基础上,利用Rankine源法开展了非线性兴波数值方法的研究.采用迭代的方式来满足非线性自由面条件,并在迭代中考虑真实的船体湿表面;此外将自由面面元升高来提高数值稳定性、而配置点前移则用来满足辐射条件.通过对Series60船型,以及一条集装船的计算来验证本文所开发的非线性兴波数值计算方法,经比较发现非线性方法的计算结果比线性方法明显改善;证实本文方法已经成功建立了非线性兴波问题的迭代框架,实现了非线性兴波数值计算方法.     

用Guilloton方法计算船舶兴波特性

本文用Guilloton方法计算兴波阻力。作者利用位于纵中剖面上Kelvin源的特性,本文的计算能大幅度节省计算的时耗。 文中提供了Wigley船型与及“Series-60,C_B=0.60”船型的兴波阻力及波型等。比较表明,无论是同试验资料或是别的一些计算相比,本结果一般都是令人满意的。     

水面舰船加装减阻节能球鼻艏研究

该文基于波形叠加的消波原理,对一艘仿阿雷.伯克级大型驱逐舰加装减阻节能球鼻艏进行研究,研究表明大型驱逐舰加装减阻节能球鼻艏可获得较好的减阻效果。文中首先给出了基于细分曲面表达船型,采用船体曲面法向量分量表示源强的船舶兴波阻力及波形计算的数值方法,通过与实验结果的比较,分析了该方法的合理性和有效性;在此基础上通过逆向设计法优化计算和分析得到了一仿阿雷.伯克级大型驱逐舰船型加装减阻节能球鼻艏消波减阻定性规律和定量效果,在特定的中高航速下通过减阻节能球鼻艏优化设计可以使兴波阻力最多减少33.7%。     

高速排水型船舶尾浪影响因素的数值研究

该文采用基于NURBS的高阶面元法与波谱函数法相结合的方法对高速排水型船舶的尾浪进行了数值计算,通过采用高阶面元法获取船舶近域波高,并对计算所得的有限波高数据进行波形分析获取波幅谱函数,从而求取较大范围的船舶尾浪.文中以最大波高作为判据,分析了船舶主尺度变化对船舶兴波及尾浪的影响,同时采用多判据的方法探讨了船型对船舶兴波和尾浪的影响.该文可为尾浪对环境影响的评估以及低尾浪船型的设计和优化提供相关参考.     

低速船舶兴波阻力的分析与计算

本文评述了船舶兴波阻力的理论发展状况,综合了Baba和Newman的分析方法,详细地推演了低速船的兴波阻力公式,并对阻力公式应用驻相法得到了一个以Froude数为自变量的阻力系数近似公式。还将处理标准船型的经验应用于三维椭球,其计算结果与已有的实验结果比较是令人满意的。对于平头船在数量级上亦与实验相符。     

An overview of simulation-based hydrodynamic design of ship hull forms

This review paper presents an overview of simulation-based hydrodynamic design optimization of ship hull forms. A computational tool that is aimed to accomplishing early-stage simulation-based design in terms of hydrodynamic performance is discussed in detail. The main components of this computational tool consist of a hydrodynamic module, a hull surface modeling module, and an optimization module. The hydrodynamic module includes both design-oriented simple CFD tools and high-fidelity CFD tools. These integrated CFD tools are used for evaluating hydrodynamic performances at different design stages. The hull surface modeling module includes various techniques for ship hull surface representation and modification. This module is used to automatically produce hull forms or modify existing hull forms in terms of hydrodynamic performance and design constraints. The optimization module includes various optimization algorithms and surrogate models, which are used to determine optimal designs in terms of given hydrodynamic performance. As an illustration of the computational tool, a Series 60 hull is optimized for reduced drag using three different modification strategies to outline the specific procedure for conducting simulation-based hydrodynamic design of ship hull forms using the present tool. Numerical results show that the present tool is well suited for the hull form design optimization at early design stage because it can produce effective optimal designs within a short period of time.     

THE OPTIMIZATION OF THE HULL FORM WITH THE MINIMUM WAVE MAKING RESISTANCE BASED ON RANKINE SOURCE METHOD

The hull form optimization concerns one of the most important applications of wave making resistance theories. In order to obtain a hull form with the minimum wave making resistance, an optimization design method based on the CFD is proposed, which combines the Rankine source method with the nonlinear programming (NLP). The bow-body shape is optimized with the minimum wave making resistance as the objective function. A hull form modification function is introduced to represent an improved hull surface, which can be used to generate a new smooth hull surface by multiplying it by the offset data of the original hull surface. The parameters of the hull form modification function are taken as the design variables. Other constraint conditions can also be considered, for example, in optimizing the lines of the bow, appropriate displacements can be taken as the basic constraints. S60 hull form is selected as the original hull. Three improved hulls are obtained by optimal design. Rankine source method proves to be an effective method in ship form optimization based on analysis of the resistance performance and lines of the improved hull.     

船舶在波浪中大幅度运动的工程算法

本文基于切片理论，计入船体运动时湿表面及其对船体流体动力性能的影响，提出了一种船舶在波浪中大幅度运动的工程估算方法，并通过对一系列６０船型计算，考虑了船舶在迎流中大幅度运动昱的运动特性、与波面的相对运动和船体瞬时受力。这一方法简单实用，对船舶方案设计有积极的意义。     

基于CFD方法的船/桨/舵干扰数值模拟

船/桨/舵相互干扰研究在传统船型优化设计和新船型的开发中具有重要意义。应用计算流体力学(CFD)方法对带桨的KCS集装箱船及带桨和舵的KVLCC2油船非稳态粘流场进行了数值模拟,其中船桨舵干扰计算分别采用动量源法、MRF法和滑移网格法,分析研究了各方法及其结果的异同。研究表明不同模拟计算方法均能合理预报出船/桨/舵相互干扰相互作用下速度场和压力场分布等详细流场信息,可用于计算船体阻力、表面压力和桨盘面伴流等。通过这种详细的数值模拟研究,可以更好地理解复杂流动干扰现象。     

Hull form optimization of a cargo ship for reduced drag

Hydrodynamic optimization of the hull forms can be realized through the implementation and integration of computational tools that consist of a hydrodynamic module, a hull surface representation and modification module, and an optimization module. In the present paper, a new bulbous bow generation and modification technique has been developed and integrated into the hull surface representation and modification module. A radial basis function based surrogate model is developed to approximate the objective functions and reduce the computing cost. A multi-objective artificial bee colony optimization algorithm is implemented and integrated into the optimization module. To illustrate the integrated hydrodynamic optimization tools, a cargo ship is optimized for reduced drag. The optimal hull forms obtained are then validated computationally and experimentally. Validation results show that the present tools can be used efficiently and effectively in the simulation based design of the hull forms for reduced drag.     

Ship hull optimization based on wave resistance using wavelet method

The ship hull surface optimization based on the wave resistance is an important issue in the ship engineering industry. The wavelet method may provide a convenient tool for the surface hull optimization. As a preliminary study, we use the wavelet method to optimize the hull surface based on the Michel wave resistance for a Wigley model in this paper. Firstly, we express the model's surface by the wavelet decomposition expressions and obtain a reconstructed surface and then validate its accuracy. Secondly, we rewrite the Michel wave resistance formula in the wavelet bases, resulting in a simple formula containing only the ship hull surface's wavelet coefficients. Thirdly, we take these wavelet coefficients as optimization variables, and analyze the main wave resistance distribution in terms of scales and locations, to reduce the number of optimization variables. Finally, we obtain the optimal hull surface of the Wigley model through genetic algorithms, reducing the wave resistance almost by a half. It is shown that the wavelet method may provide a new approach for the hull optimization.     

基于重叠网格技术数值模拟船舶纯摇首运动

该文采用基于非定常RANS方程的黏性数值模拟方法,对标准船模DTMB5512裸船体在平面运动机构(PMM)控制作用下的纯摇首运动进行了数值模拟。文中数值计算采用基于开源CFD工具包Open FOAM和重叠网格技术开发的多功能水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。根据SIMMAN2014提供的标准算例,对同一运动频率下,在Fn=0.28工况下的3种不同运动幅值的纯摇首运动进行了数值计算,得出了船舶不同工况下的阻力、侧向力和转首力矩的历时曲线。并且根据操纵性数学模型(MMG)推导出相应的水动力导数值,所有计算结果同模型试验数据吻合较好,验证了采用当前处理方法数值求解纯摇首运动的可靠性。     

前置导管节能效果数值计算与分析

前置导管作为一种典型的船舶节能装置,被广泛地应用于商船。该文分别对带前置导管与不带前置导管的JBC(Japan Bulk Carrier)进行带桨与不带桨数值计算,研究前置导管的节能效果。文中数值计算采用的求解器为上海交通大学基于开源代码平台Open FOAM与重叠网格技术自主开发的求解器naoe-FOAM-SJTU。该文通过试验值和CFD计算值对前置导管的节能效果进行评估,表明数值模拟结果与试验值吻合较好。     

破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析

采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元，同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程，从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用，并分析船舶结构上的冰载荷。根据“雪龙号”船体结构模型，采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载，通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明，扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近，对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载，分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析，其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。