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船舶风载荷特征和考虑实海域风浪增阻及耐波性的能效优化方法研究

乔丹  
【摘要】:船舶节能减排、性能优化和航行安全是行业普遍诉求,也是适应国际规则的必然要求。综合考虑实海域各类航行性能指标的船舶能效优化设计技术是船舶设计的关键环节和未来发展趋势。在实海域航行的船舶受到众多风浪环境载荷的共同作用,其中风载荷是其中重要的组成部分,尤其对于大型集装箱船而言,集装箱堆垛模式和上层建筑布置对于风载荷特性具有显著影响。为定量研究船舶风载荷特征规律,本文针对具有相同集装箱装载量但堆垛模式互有差异的10,000TEU大型集装箱船模型开展了覆盖多个风速、全风向角范围的系列风洞试验,并采用CFD数值计算和经验公式进行了交叉验证。结果表明:船舶的横、纵向受风区域的形状参数,尤其是受风面积和形心位置,均对风载荷特性影响显著;呈流线型或阶梯型布置的常规堆垛模式整体上具备较好的风载荷特性,但具有多个堆垛空缺的特殊堆垛模式在艏摇力矩等方面占据一定特殊优势。与此同时,CFD数值计算和经验公式均能一定程度上预报船舶的风载荷特征,提高预报效率,但用于工程实际则各有缺陷,应予不断研究完善。进而,本文提出简化的失速系数修正公式,针对船舶航线所历经的各海区的EEDI值进行了修正计算,结果表明:风阻对船舶的能效测算水平具有比较显著的影响,对于表征平均海况的风浪资料统计口径而言,风阻的存在会增加新造船舶违反EEDI相关强制性导则的风险;对于表征极端海况的风浪资料统计口径而言,风阻的存在会引起船舶快速性水平和能耗水平的显著劣化,甚至可能威胁到航行安全。考虑到船舶在实海域航行过程中对于快速性和耐波性的提升诉求,本文针对ITTC-A2高速围网渔船开展了系统的型线优化工作。本文以NSGA-II遗传算法作为控制算法,搭建了以船舶快速性、耐波性参数为优化目标的优化系统,采用径向基函数(RBF)方法实现参数建模与型线变换。本文根据多目标优化问题的普遍数学结构,设置了包含目标函数、设计变量、约束变量、监测变量在内的完整的优化模型,通过工程辅助软件iSight搭建系统性的综合优化平台,实现了“计算分析—模型修正—船体优化重构—计算分析”的研究闭环。除此之外,本文提出了借助凸包(Convex Hull)方法自动筛选能够反映优化迭代趋势特征的代表性迭代点的方法,并针对筛出迭代点实现了基于静水阻力和骑浪/横甩性能指标的优化质量验证。结果表明:该优化方法切实有效,能够实现针对对实海域航行船舶快速性、耐波性指标的优化功能。代理模型的使用可以大幅度提升计算效率,但仍然存在一定的缺陷,尚无法完全替代高精度数值计算。最后,本文综合考虑了船舶水线面下部分对应的船体型线多目标协同优化设计和水线面上部分对应的甲板集装箱堆垛模式优化设计,开展了两者兼顾,相互叠加的船舶能效综合优化。结果表明:船体型线多目标协同优化设计通过调整船体型线设计方案,同时改善了无失速EEDI计算基准值和失速系数,而甲板集装箱堆垛模式优化设计则主要通过减少正迎风下的纵向风阻,针对失速系数进行了进一步优化。二者综合,船舶能效优化幅度可以达到4%-6%,其中船体型线多目标协同优化设计对总体优化幅度的贡献占主要部分,而船舶风载荷的影响也较为显著,不可忽视。本文的工作,为船舶风载荷评估和与之相关的能效评估、基于快速性·耐波性指标的船体型线多目标优化和船舶能效综合优化设计等技术环节提供一定的参考和借鉴。


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