基于CFD近似模型的船舶阻力与伴流不均匀度优化研究_魏斯行.caj

【摘要】 随着近年来国际贸易的繁荣,船舶海运业正在成为全球最严重的温室气体排放源之一。船型优化作为一种有效的节能技术手段,受到越来越多船舶设计人员的重视。传统的船型优化过程,需要对每一个船型方案进行计算流体力学(Computation Fluid Dynamic,CFD)水动力性能计算,这将会耗费大量的计算时间和计算资源,难以满足工程需要。因此,采用适当的近似模型来解决传统船型优化过程中因CFD水动力计算而造成的时间消耗和计算成本问题,具有重要的工程意义。本文首先介绍了船舶水动力性能计算理论与方法,以KCS集装箱船为对象,探究了不同网格数量对于数值计算结果的影响。其次,本文探究了径向基函数(Radial Basis Function,RBF)插值方法在二维网格阵点变形上的应用,比较了不同径向基函数对于网格点变形的影响,为后续船体曲面变形选择了合适的径向基函数。然后,以中高速KCS集装箱船兴波阻力为优化目标,分别采用响应面法(Response Surface Methodology,RSM)、克里金法(Kriging)和径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network,RBFNN)三种方法构建近似模型去预测KCS船基于CFD方法计算的兴波阻力系数,并分析三种近似模型的误差结果以及拟合情况。基于以上三种近似模型,对KCS船船首进行优化,分析不同设计变量对响应值的影响规律,并根据优化结果为KCS船船首型线设计提出趋势性建议。最后,以低速肥大型多用途船为研究对象,针对船首和船尾形状所影响的阻力成分不同,分别以兴波阻力为优化目标对船首进行优化和以总阻力及桨盘面处伴流场不均匀度为优化目标对船尾进行优化。为了验证优化结果的可靠性,采用高精度CFD求解器STAR CCM+分别基于VOF法和叠模方法对优化船型进行阻力计算。计算结果表明,优化后的船首对该多用途船有一定的减阻效果,优化后的船尾在获得更均匀的桨盘面伴流同时阻力性能基本不受影响。

【关键词】 径向基函数插值； 近似模型； 船型优化； 阻力性能； 伴流不均匀度；