田中文　何珍　伍蓉晖　王金明

摘 要：利用SHIPFLOW软件来计算船舶阻力是目前比较常见的方法。本文对某集装箱船在满足总体设计的基础上，基于船东营运需求，采取多工况、多航速优化技术，同时在优化中重点关注浅吃水和中、低航速工况，设定营运工况优化权重进行优化。最后，利用三因次换算法对优化后的船型进行阻力预报，并与船模实验进行了对比，结果表明，预报误差在-4%～3%之间，满足工程使用要求，验证了该方法的可行性。

关键词：SHIPFLOW；优化权重；阻力预报；计算精度

中图分类号：U663.31 文献标识码：A

Abstract： It is a common method to compute the ship resistance reduction by SHIPFLOW. On the basis of overall design of a feeder container vessel， considering the ships operational profile， multi objects optimization technology is adopted， focusing on shallow draught and medium and low speed conditions to optimize the resistance. Three-dimensional Extrapolation method is used to predict the ship resistance. The error is -4%～3% by comparing the results of CFD calculation and model test， which is accepted in engineering scope， and the feasibility of the prediction method based on SHIPFLOW is also validated.

Key words： SHIPFLOW； Optimized weight； Resistance prediction； Calculation accuracy

1 前言

目前，商用船舶CFD软件较多，主要有RAPID、SHIPFLOW、V-SHALLO等，这些软件都有一个共同特点，即在船型设计前期优化中都能快速的进行多方案阻力预估，这对于船型的开发阶段是必不可少的。

船舶专用CFD软件SHIPFLOW在行业内应用非常广泛，本文通过采用SHIPFLOW软件计算方形系数小于0.7的支线集装箱船阻力，在船型优化过程中比较分析多个船型方案的流场和阻力，经过筛选最终得到具有较佳流场分布、船体表面压力梯度缓和水面兴波较小、快速性较佳的船体线型。

2 计算区域法

根据SHIPFLOW软件的功能模块和技术特点，采用分区域的方法预测报船体（含附体）阻力与船体在波浪中的响应运动，实现船舶自航及螺旋桨性能等仿真分析【1】。

如图1所示 。

（1）区域1为势流区，涵盖了整个船体和周边自由液面的一部分，采用基于Dawson方法的二阶面元法计算势流；SHIPFLOW 软件在该区域应用Rankine 源法，根据线性、非线性自由表面边界条件进行高阶面元法的势流理论计算；

（2）区域2为作用在船体表面上的薄边界层区，在该区域内利用边界层方法求出沿物面的边界层厚度分布，并对该区域内使用动量积分法求出作用力。该求解模块需要使用勢流压力分布作为输入参数，计算既能从驻点开始也可直接从给定站开始解湍流方程。通过船体边界层的计算，可以得到前部2/3 船体上的摩擦阻力[7]；

（3）区域3为粘流计算，包括船体的后部以延伸到船体下游半个船长的流体区域，在径向方向也有半个船长大小区域覆盖。采用雷诺平均的Navier -Stokes方程，可通过k-ε湍流模型和壁面函数进行求解[5][6]。对于粘流的计算，SHIPFLOW 采用基于有限体积法的RANS 求解器——XCHAP 求解模块，计算中RANS 方程解的边界条件由前面的势流和边界层计算获得。通过该求解方法即可得到船体表面的压力分布，对船体湿表面积分即可计算船体所受到的粘性流体作用力，取其运动方向分量即为船舶粘性阻力Rv。通过这种分区分步求解方法，最后可以得到船舶在航行中所受到的总阻力值[8]。

3 数值计算与分析

3.1 计算模型

本文采用的模型船为某集装箱船，其参数见表1。

3.2 优化工况及型线

在满足总体设计要求的基础上，采取多工况、多航速目标优化技术，在线型优化中重点关注浅吃水和中、低航速工况，见表2。

从图2可以看出，优化线型主要集中在球鼻首以及船体的首肩处，对尾部只进行了少量优化。

3.3 阻力预报和网格划分

阻力系数CT计算公式如下：

（1）

式中：

CF为软件通过粘性计算出来的摩擦阻力系数；

CPV为软件通过粘性计算出来的粘压阻力系数；

CV为为软件通过粘性计算出来的粘性阻力系数；

K为软件自动计算出来的形状因子；

Cw为压力积分法求得的兴波阻力系数，其数值比船模实验结果高，故本文采用横切波法来计算兴波阻力。

SHIPFLOW的网格划分主要为自动化分：势流计算时采用medium网格；粘流计算时采用fine网格模式；尾部均采用transom命令。

3.4 水动力性能分析

一个船型的优化判断主要通过自由液面的波形图和波剖图，以及船体表面的压力系数分布来查看。

3.4.1 波形图及波剖图

（1）Fn=0.229 0情况

由图3（a）可以看出，在首柱处原始线型与优化线型没有明显提升；由图4（a）可以看出，首柱处的波高沿船尾方向延迟，波幅提升了4.59%；波形图中首肩处的波谷位置优化模型相对原始模型提前，且波幅降低了36.99%；对于船中部，优化后的船型波长变长，其靠船尾方向的波谷延迟出现且波幅明显降低；而对于尾柱以及方尾以后的区域，前后船型变化可忽略不计。因此从整体来看，优化后的散波数量由原始的5个降为4个，且幅值明显变小，同时散波与横波的分离显著，相互干扰少；

（2）Fn=0.185 7情况

在首柱处优化后波幅降低明显，最大正波幅降低26.18%；在波剖图中其波形由正弦曲线形式变为连续微波形式；对于船中部，由原始船型有2个波变为1个波，且波幅减小，；对于尾柱以及方尾以后的区域，与Fn=0.229 0的变化一样，前后船型变化可忽略不计。因此整体来看，散波数量没有变化，只是降低了波幅，同时除在船中向前部散波与船体的行波有所干扰外，其余部位两者均分离明显。

3.4.2 压力系数分布

见图5。

（1）Fn=0.229 0情况。

由图5（a）可知，优化船型的前段压力分布较原始船型更为均匀，尤其在球首表面的负压区范围明显缩小，故船体阻力必然降低；船中处的压力系数减小，其两端的负压区中心外扩，平均压力系数逐渐均衡；而尾轴以及尾部区域无明显变化。

（2）Fn=0.185 7情况。

由图5（b）可知，和Fn=0.2290的压力分布特性相似，其表现比较明显的是在首肩处由高低激变压力区域变为均匀分布区域，说明优化船型表现出更好的水动力性能。

3.5 阻力优化对比

表2的优化权重表，在实际上是很难达到三者同时优化的目的，因为对于压载工况的优化是困难的：一是该情况下计算大部分是无法收敛的，二是实际运营持续时间较短，故暂时不予考虑。

从表3 计算结果来看，本船在设计吃水工况各个速度点下兴波阻力减阻效果总体表现良好，随速度的增大减阻效果由33.27%降为22.32%，但总阻力减阻效果则随速度增大由-4.20%增加到0.08%，继而又下降到-4.19%，表现出两端速度点降阻比例大、中间速度点降阻比例小的现象，这与我们所期望的优化目标大体相符。

在结构吃水工况下， 我们分别对15 kn和17 kn设定了10%和30%的优化权重，计算结果15 kn时的兴波阻力增大5.92%，而17.0 kn的兴波阻力减小-2.35%，其总阻力分别增大0.67%和1.37%，显示该工况下的优化减阻效果不佳，与预期目标不符；而对于12 kn和18.5 kn工况，计算结果12 kn时兴波阻力减小了-7.45%，总阻力降低-0.79%；18.5 kn时兴波阻力增加了11.37%，总阻力增加4.03%，表明该线型在低速段的阻力还是得了优化，而在超出营运航速18.5 kn时阻力增加了不少。由此可知其总体特性呈现差异性，这说明在满足设计吃水状态下的优化前提下，对结构吃水状态的优化难以兼顾或未能达到，这也是后续需要持续研究的一个方面。

3.6 数值计算对比

优化船型船模实验在SSSRI进行，通过比较可知整体预报趋势一致：在设计吃水下，当Fn≤0.18时Ct系数曲线吻合；当Fn>0.18时曲线出现波动，其计算误差由大逐渐变小；对于结构吃水下，计算Ct曲线较为光顺，与实验Ct曲线在Fn=0.18处有交点，其计算误差由负值逐渐变为正值，精度随着Fn的增大而逐渐提高。

在低速状态下，计算值明显小于实验值且偏差较高速时大，无论是船模实验还是数值模拟，细微的干扰都会使实验值或计算值产生较大的波动，因此在低航速下的阻力值和实验值具有不稳定性，当傅汝德数逐渐增大时，其计算精度逐渐提高。

4 结论

经过上面计算分析，对于方形系数CB<0.7的支线集装箱船来说：

（1）船型对阻力性能的影响是与船速密切联系的，作为一艘中低速集装箱船（Fn=0.136 2～0.247 6），其设计航速的傅汝德数为0.229，此时兴波阻力所占总阻力成分随之增大；而在低航速（Fn=0.185 7）运行工况兴波阻力较小，其总阻力中摩擦阻力与粘压阻力占主要成分，在优化中应重点考虑减小该两种阻力；

（2）基于营运工况进行多目标工况线型优化，采用CFD计算各吃水、工况下的阻力来分析各工况下的阻力特性，指导优化方向；采用势流兴波数值计算与粘流场RANS 求解器相结合的办法，提高了优化效率和可靠性；

（3）基于SHIPFLOW软件采用三因次法来预报船舶阻力，与船模实验计算结果吻合度高，计算误差在-4%～3%以内，在前期方案设计和阻力预报分析方面可以满足工程设计需要；

（4）后续还需进一步研究相关计算及船模试验预报技术，分析各类计算和船模试验结果的预报差异，逐步获得更准确地结果。

参考文献

[1]赖宇阳.船舶专用流体力学分析软件SHIPFLOW技术说明书[M].

北京树优信息技术有限公司，2011.

[2] 陈红梅，蔡荣泉.势流计算在船舶型线优化改型中的适用性研究[J].

船舶工程，2012，34（2）.

[3]MIERLO K J. Trend validation of SHIPFLOW based on the bare hull

upright resistance of the delft series[D]. Netherlands：Delft University

of Technology，2006.

[4]陈伟，许辉等.基于SHIPFLOW软件的方尾舰船阻力快速预报[J].

中国舰船研究，2012.8，7（4）.

[5]JANSON C， LARSSON L.A Method for the optimization of ship hulls

from a resistance point of view[C]. 21st Symposium on Naval

Hydrodynamics. USA： National Academy of Science，1997.

[6]FLOWTECH. SHIPFLOW6.1 users manual[M]. Gothenburg，

Sweden，2015.

[7]陈晓娜. 小水线面双体船船型优化研究[D].上海交通大学， 2007.

[8]盧雨，胡安康等. 基于SHIPFLOW 的某大型集装箱船阻力预报与

试验验证[J].中国造船.2016.6.