A Research on the Ship Hull Form Optimization Using Viscous CFD and Genetic Algorithm

【摘要】：船型优化是基于对船体的几何形状的变化，以达到更好的性能船舶。传统的改进船体的方法是产生一个初始的船体形式并在拖曳水池试验获得船体周围流动，然后再修改与改进船体，并再次测试。随着高速计算机的发展和基于计算流体动力学（CFD）方法学的发展，初步分析利用CFD工具能更有力和更准确进行。近年来已广泛应用于船体绕流场的计算，它已成为在船舶行业的设计师和工程师一个重要工具。 一个船型的优化通常是基于优化初始船体的型值;另一种改善船体阻力性能的方式是变动可改善船体周围的流动变化那部分船体的外形。在本项研究工作，船舶的船体形状优化中，对船舶总阻力用CFD作为计算工具，用遗传算法作为优化工具。基于CFD的优化由以下主要步骤组成： 根据设计参数自动生成外形 网格自动生成 自动分析流体流动以计算所需的目标函数 形成一种优化工具，评估优化成本。 对于优化，集成遗传算法程序，在MATLAB写，已运用几何形状及及网格划分软件GAMBIT和CFD分析软件FLUENT进行。用GAMBIT的日志功能于外形和网格的生成。编撰FLUENT的日志用于自动计算船型的总阻力。对两个船体（单船体和三体船船体）进行了优化，获得低阻力船体外形。 选用单体船系列60（CB=0.6），用添加球鼻艏的方法进行优化。球鼻艏的流体力学效果主要取决于周围船体艏的流动变化。在外形方面，除了船体的主要部分，该水动力学的效应是球鼻艏的大小或容积的函数（即球鼻艏的容积和球鼻艏的形状沿着长度方向分布）球鼻艏容积沿着垂向的分布及其与自由表面的距离会影响沿船体的波系的幅值。球鼻艏容积沿沿长度方向的分布会产生球艏与主船体兴波间的相位谝移。适当选择这些外形参数可产生球鼻艏和船体间的有利干扰，从而导致阻力的降低。不同的球鼻艏被整合到基于设计参数的原始船体。对这些设计变量进行了优化以获得一种最小“总阻力“耗费函数。 选择三体船型FA1作为第二个船体进行优化研究。在该项优化中，三体船的主船体的型线作了优化改进。对三体船共对于提出了八种优化案例。对于前六种，选总阻力作优化目标函数，而对于后两种，则选择为每单位排水量的总阻力为优化目标函数。前四种算例基于主船体球艏形状控制点的优化；总共24个点为优化起见做单独评估。对于第五例，优化主船体的六个首部站线总共85个点分别进行评估计算。对于第六例，连同船体艏部各点型值，也对球鼻艏长度进行优化。对于第七例，以每单位排水量总阻力的目标函数、24个首部点进行单独计算。对于第八例，基于船舶水线，24个球艏点分成四组，针对（总阻力和每单位排水量）两种目标函数进行优化。 对这两种船型的计算优化结果与可获得的试验结果进行了对比。结果表明，将遗传算法与CFD集成对于船型优化是有效的。