型線優化
關注創建者：HMS Dragon/D35 創建時間：2023-02-16
型線優化的實例教程
型線優化。型線優化可以降低船舶阻力、降低動力需求以獲得更好的整體效能。對于已經服役的單要素設計船舶，修改船舶整體線型是不經濟的，可以對球鼻艏進行局部優化。因為興波阻力與船首形狀以及不同速度下的吃水深度有關。單要素設計船舶通常球鼻艏非常冗長龐大，優化后細長的球鼻艏可能節省6~10%的燃料。
其他結構優化。其他方面的優化有新式螺旋槳以及推進系統優化，這些比較少議及。
圖示：優化后的球鼻艏外型通常比單要素設計船舶的球鼻艏更加細長
圖示：流體仿真計算單要素和多要素設計下的船體艏部壓力分布圖
（對兩種船型而言，合同條件下的壓力分布和產生的波浪是非常相似的。多要素優化設計可以獲得更合理的壓力分布，產生更小的波浪。）
CO2排放指標。根據新造船EEDI和即將頒布的現有船舶EEXI規則，船舶能效問題已重新成為行業關注焦點。聯合IMO二氧化碳強度指標（CII，以每裝載噸位或每海里航程下CO2排放克數作為測量船舶運輸貨物或乘客的能效評價指標），這些規則將給船東不斷施加壓力以促成船舶改造達到減排目標。
展開 關 鍵 詞：
船型優化；數值模擬；參數化變形；優化算法；阻力性能
中圖分類號：U661.31 文獻標志碼：A
引 言
船體型線設計是船舶總體設計的重要環節之一，型線對于船舶的水動力性能和經濟效益有較大影響[1]。型線設計有母型改造法、系列船型法和自行設繪法等方法，這些方法依賴于設計人員的經驗進行手動設計，再通過多輪模型試驗迭代修改設計方案，最后形成型線方案。其共性問題是工作量大、效率低、成本高、周期長，且最終的型線方案并非理論上的最優方案[1-2]。
船型設計實現數字化以后，利用CFD數值模擬方法快速預報船型的水動力性能已成為船舶型線優化設計的常規技術手段。在此基礎上，以數值計算得到的水動力性能為優化目標，通過算法對設計空間進行探索，最終獲得滿足約束條件的最優船型方案。謝玲玲等[3]通過建立多航速優化模型，對某高速客船首部興波阻力進行了優化。伍蓉暉等[4]采用基于NAPA和CFD軟件（傳統經驗模式）以及基于CAESES和CFD軟件（先進數值評估模式）的一體化優化模式對2800TEU集裝箱船阻力性能進行了優化。程宣愷等[5]通過數值模擬方法分析了巡邏艦的首部線型、尾楔形狀以及軸支架布置對船體阻力及伴流的影響。陳京普等[6]通過CFD模擬開展了客滾船附體優化布置研究，考察了螺旋槳旋向對其收到功率的影響。
近年來，隨著優化設計要求的提高，更多的設計變量被加入優化算法中以搜尋更優的船型方案，而如何解決高維優化時設計變量維度和優化方案數量之間的需求關系是目前業界重點研究的問題之一。
展開 由CAESES提供的Surface Delta Shift 功能進行船體尾部變形
拖曳狀態下裸船體阻力優化
高品質加密網格, zonal 方法, 1.2M 網格
一個案例計算時間15分鐘 (Intel i7 5960X)
計算分析120個變體方案
自航狀態下有效功率優化：
網格中等加密, zonal 方法, 3M網格
自航狀態，螺旋槳性能通過升力線理論計算
1小時4個案例，24核 48線程 (Intel Xeon X5675)
計算分析100個變體方案，24小時完成計算
自航狀態下以有效功率為優化目標得到的C方案較參考船型有效功率減少10%
接下來我們又計算了C方案船型在拖曳狀態下的裸船體阻力，結果發現其裸船體阻力較B方案高，如上圖
同時計算了B方案在自航狀態下的有效功率，上圖顯示從有效功率角度出發還是C方案比較占優。
綜上，兩次的優化結果對比表明，雖然C方案的裸船體阻力較B方案高，但因為其考慮到了船尾的伴流影響，使得螺旋槳的推進效率更高，高出的部分足以抵消多出的裸船體阻力，從而使得整體推進效率更高。以上結果表明從自航狀態下的有效功率角度出發對于船尾型線優化有著重要的實際意義。當然在實際優化過程中，還需要考慮一些約束條件比如關鍵硬點的控制，排水量限制以及螺旋槳的空泡現象，但這并不影響以上的結論。
關注公眾號“天洑CAE技術源”了解更多相關資訊
展開 其中主要原因是：在模型轉輪制造之前就可以采用CFD對水力設計進行優化，這樣可以大大減少模型試驗的時間和費用。其次，采用CFD可以對最終設計的轉輪葉片型線進行優化，這在傳統的模型試驗方法中是幾乎不可能的。
下文是CFD仿真技術在解決水輪機產品研發過程中部分常見工程問題的簡要介紹：
1、水輪機的水力設計
蝸殼的水力設計
固定導葉、活動導葉的水力設計
轉輪的水力設計
尾水管的水力設計
水輪機的效率是考察其性能的最重要的指標之一。借助ANSYS強大的數值分析工具，工程師可以在模型實驗之前對水力設計的質量進行綜合且細致的評判。
2、水輪機的壓力脈動
尾水管渦帶的仿真
葉道渦、卡門渦仿真
轉輪和導葉的動靜干涉
非設計工況的壓力脈動
過渡過程的壓力脈動
ANSYS軟件可以分析水輪機運行中的非定常水力激勵力。通過比較轉輪內與轉輪外流道的水壓力脈動特性，分析動靜干涉、葉道渦、卡門渦等引起的壓力脈動頻率與幅值特性，分析脈動傳遞與衰減等影響?？偨Y發現尾水管內渦帶引起的壓力脈動與受其影響的轉輪內的壓力脈動的聯系，找出了兩者之間的頻率計算公式，及不同運行工況不同渦帶特性下的計算公式的修正方法。
展開 1 氣動外形設計方法
氣動外形設計包括乘波前體氣動外形優化設計、機翼設計。在此基礎上，進行高超聲速ISR 平臺氣動外形一體化設計，包括乘波前體與機身的集成、機翼與機身的集成，以及后體與機身的集成三部分。
1.1 乘波前體設計
作者前期對高超聲速ISR平臺的乘波前體進行了優化設計和性能分析，優化后的乘波體具有應用于高超聲速ISR 平臺氣動外形設計的潛力。因此，選取參考文獻[9]中優化后的乘波體作為高超聲速ISR平臺的機身前體。
1.2 機翼設計
對于大多數的高超聲速飛行器，機身為主要升力面，利用前機身的壓縮產生主要升力。機翼作為次要升力部件，具有很大的改善空間，也需重點設計。由參考文獻[9]可知，高超聲速ISR 平臺乘波前體提供了一半以上的升力（113482N），還有一小半升力需要機翼來提供。另外，為了滿足水平起降設計要求，也需對機翼進行詳細設計。這就是高超聲速機翼的設計目標。
為了保證較好的波阻特性，對于高超聲速飛行器來說，在進行翼型設計選擇時一般會考慮較薄的對稱翼型，通常采用對稱雙弧形翼型、小展弦比大后掠梯形翼面[10]。機翼形狀相對簡單，由翼型參數和翼平面參數控制。對于高超聲速巡航類飛行器，機翼外形既要保證高超聲速ISR 飛行器巡航飛行時的升力和配平特性需求，又必須保證水平著陸時需要的高升力特性，同時機翼的重量還要輕。綜上考慮，確定高超聲速機翼的設計參數值及幾何參數見表2。
表2 機翼幾何參數
Table 2 Geometry parameters of wing
采用計算流體力學（CFD）方法來計算機翼的氣動性能，并對機翼升阻比L/D 與迎角α 進行非線性回歸分析。高超聲速機翼在迎角5° ≤α ≤14°范圍內的氣動性能數值計算結果見表3。其中，FL、FD分別為高超聲機翼的升力和阻力。
展開 
型線優化的相關專題、標簽、搜索
型線優化的最新內容
船型設計實現數字化以后，利用CFD數值模擬方法快速預報船型的水動力性能已成為船舶型線優化設計的常規技術手段。在此基礎上，以數值計算得到的水動力性能為優化目標，通過算法對設計空間進行探索，最終獲得滿足約束條件的最優船型方案。謝玲玲等[3]通過建立多航速優化模型，對某高速客船首部興波阻力進行了優化。
對于渦旋齒型線的研究和優化是提高渦旋壓縮機基本工作性能的首要方法和手段，也是目前研究的一個熱點［3，4］。文獻［5，6］構建了同時考慮泄漏和傳熱的渦旋壓縮機熱力學模型，并通過試驗分析了壓縮機數學模型和實際工作過程存在偏差的原因。Pereira 等［7］建立了渦旋壓縮機在不同工況、工質及幾何參數下的泄漏模型，并通過試驗對其所建立的泄漏模型進行了驗證。
其次，采用CFD可以對最終設計的轉輪葉片型線進行優化，這在傳統的模型試驗方法中是幾乎不可能的。
型線優化。型線優化可以降低船舶阻力、降低動力需求以獲得更好的整體效能。對于已經服役的單要素設計船舶，修改船舶整體線型是不經濟的，可以對球鼻艏進行局部優化。因為興波阻力與船首形狀以及不同速度下的吃水深度有關。
表1 常規船舶水動力節能技術措施
1
船型優化
船型優化主要是針對船體型線進行優化，以改善靜水或風浪中航行的船體表面壓力和興波
工作面型線柔性過渡，優化了工作面凸度的位置和形狀、對數曲線及內圈大擋邊與滾動體接觸面積。
采用低摩擦油封。在對橡膠密煉時增加低摩擦添加劑，優化唇口結構，降低抱軸力。本方案采用的是氟橡膠，其具有耐老化、耐熱、耐油特征，幾乎適用于所有的潤滑油、燃料油，在含極壓添加劑的油中不易硬化，同時在油封密煉時增加了一種低摩擦系數添加劑，以增強橡膠的硬度。
(in Chinese)
［6］ 胡守超,崔凱,李廣利,等.基于試驗設計方法的高超聲速飛機前緣型線優化分析[J].力學學報,2016,48(2):290-299.
Hu Shouchao, Cui Kai, Li Guangli, et al.
題目：基于CAESES+FINE??/Marine的型線自動優化技術研究
以上結果表明從自航狀態下的有效功率角度出發對于船尾型線優化有著重要的實際意義。
耐波性模擬-CFD方法回顧
SEAKEEPING simulations - Review of commercial CFD methods
Michal Orych, 瑞典Flowtech公司副總經理
Michal Orych, Deputy managing director of Flowtech
16:15-16:45
基于CAESES+FINE??/Marine的型線自動優化技術研究
