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CNG运输船的阻力性能及船型优化研究

李国焕  
【摘要】:鉴于国际海事组织已经推出了船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index,简称EEDI)和船舶能效营运指数(Energy Efficiency Operation Index,简称EEOI),以法律的形式对船舶的能效加以限制,而我国船舶的平均能耗普遍较高,如何通过有效的方法提高船舶的能效水平已成为亟待解决的问题。本文着眼于改善船舶的快速性能与耐波性能,主要结合船体几何变形技术、高精度CFD(Computational Fluid Dynamics)数值预报技术、近似模型技术与最优化技术等关键技术,开展了某CNG(Compressed Natural Gas)运输船线型多目标优化设计,为船舶节能减排探索了新技术途径。本文主要研究内容包括:1、重点研究了船体几何变形技术,阐述了自由变形技术的基本原理和变形规则,并以非均匀有理B样条基函数作为参数体属性,结合非均匀控制点分布,建立了适用于船体几何的NFFD(NURBS-Based Free-From Deformation)变形技术。最后以某CNG运输船为例完成了球鼻艏、船艏和船艉部分几何的自动变形。2、运用CFD技术计算了船模静水阻力与桨盘面伴流场,探讨了网格生成、近壁面网格与湍流模型对阻力预报的影响,并开展了相关的模型试验,通过计算结果与试验值的对比,验证了本文数值预报方法的可靠性。3、研究了船模在规则波中迎浪增阻与运动的数值预报方法,建立了三维数值波浪水池,采用入口处模拟波速的方法与强迫消波技术,成功模拟了波浪的生成与传播,并结合重叠网格方法计算了波浪中船模的运动响应,最后对CNG船模在波浪中航行进行了数值模拟。4、以某CNG运输船为研究对象进行了船型多目标优化设计,采用试验设计与Kriging近似模型等简约策略,并结合NFFD几何变形技术,构建了基于精细CFD技术的船型优化设计框架,针对船舶快速性与耐波性的5个指标,选用多目标遗传算法NSGA-II进行了求解,得到了质量较好的Pareto解,最后结合层次分析法和理想解法给出了合理的方案排序,获得了综合性能最优的船型方案。


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