張 雷 張佳寧

(大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院 大連 116026)

基于正交法的三體船側(cè)體構(gòu)型與布局優(yōu)化研究

張 雷 張佳寧

(大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院 大連 116026)

設(shè)計(jì)4種三體船側(cè)體橫剖面構(gòu)型，基于田口正交設(shè)計(jì)法對(duì)三體船的側(cè)體橫剖面構(gòu)型、排水量、橫向和縱向位置布局等4種因素進(jìn)行側(cè)體參數(shù)的正交表設(shè)計(jì).通過數(shù)值模擬計(jì)算，研究分析了4種不同側(cè)體參數(shù)對(duì)三體船總阻力性能影響的主次關(guān)系及影響相關(guān)程度，得到基于最小總阻力的三體船側(cè)體優(yōu)化方案，探討出一種三體船阻力性能優(yōu)化的思路和方法.

三體船；田口正交設(shè)計(jì)法；側(cè)體參數(shù)；阻力性能優(yōu)化

0 引 言

現(xiàn)代高速三體船以其良好的快速性和船舶穩(wěn)性、優(yōu)異的阻力性能和寬敞的露天甲板等特點(diǎn)被廣泛研究. 三體船側(cè)體的存在提高了船舶穩(wěn)性，也使得側(cè)體和主體之間的連接部分的可利用甲板面積增大.與等效單體船相比，三體船片體較小，造價(jià)較低，性能方面有質(zhì)的提高，尤其在降低興波阻力方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì).護(hù)衛(wèi)艦一類的高速三體船其主體的修長(zhǎng)度系數(shù)比類似的單體船要長(zhǎng)20%，寬度減少25%[1]，水線面更瘦長(zhǎng)，有利于減小阻力.側(cè)體本身線型和側(cè)體位置的布置對(duì)船體產(chǎn)生的流場(chǎng)有很大影響，側(cè)體線型的合理設(shè)計(jì)和側(cè)體位置的合理布置能夠使3個(gè)片體產(chǎn)生的興波相互疊加消除，最大限度減小興波阻力.同時(shí)側(cè)體的排水量對(duì)船舶摩擦阻力和3個(gè)片體之間的興波干擾也有較大影響.

國(guó)內(nèi)外對(duì)三體船側(cè)體的阻力優(yōu)化研究主要集中于側(cè)體位置布置對(duì)船舶興波阻力的影響方面，多采用理論數(shù)值計(jì)算方法、CFD數(shù)值模擬方法和船模水池實(shí)驗(yàn).其中基于CFD的船舶阻力的數(shù)值模擬計(jì)算已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，其具有比船模試驗(yàn)更節(jié)約資源和更效率的優(yōu)勢(shì)，而且能模擬出理論計(jì)算難以計(jì)算的船體周圍粘性流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，模擬結(jié)果精確度能夠很好的滿足船舶設(shè)計(jì)前期對(duì)阻力估算預(yù)報(bào)的要求，這已經(jīng)在大量的研究者們所發(fā)表的文獻(xiàn)中所證實(shí)[2-4].

通過對(duì)三體船側(cè)體橫剖面形狀分類設(shè)計(jì)，側(cè)體橫向和縱向位置不同布置,以及側(cè)體排水量的選取設(shè)置多個(gè)三體船側(cè)體參數(shù)，合理選取各參數(shù)范圍和變化梯度，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，依次展開計(jì)算，得到單位排水量下總阻力等數(shù)據(jù)，據(jù)此采用正交設(shè)計(jì)的極差、方差分析方法對(duì)各側(cè)體參數(shù)對(duì)三體船總阻力變化趨勢(shì)的影響和相關(guān)程度進(jìn)行分析研究.

1 基本方程和模型處理

1.1 基本方程

流體流動(dòng)遵守3大守恒定律：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律.一般研究船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)，忽略流體和船體之間的熱交換，不考慮能量守恒方程.對(duì)應(yīng)其他2個(gè)方程為不可壓縮流體的瞬時(shí)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)和瞬時(shí)動(dòng)量方程(N-S方程).船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體為高雷諾數(shù)的湍流流動(dòng),通過對(duì)瞬時(shí)控制方程運(yùn)用雷諾時(shí)間平均法得到雷諾時(shí)均連續(xù)性方程和雷諾時(shí)均N-S方程(RANS方程).

(1)

(2)

1.2 模型處理

本文選取的三體船模型主尺度等數(shù)據(jù)如表1所列.在保持主體型線和吃水不變的情況下，通過改變側(cè)體橫剖面構(gòu)型、橫縱向位置和排水量等因素對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置.由于非對(duì)稱側(cè)體不具有明顯的阻力優(yōu)勢(shì)[5]，因此采用2個(gè)側(cè)體對(duì)稱設(shè)置.在側(cè)體橫剖面形式方面，選用不對(duì)稱內(nèi)側(cè)型側(cè)體構(gòu)型，因?yàn)槠涓蓴_興波作用大，對(duì)側(cè)體位置最為敏感[6].側(cè)體橫剖面線型具體設(shè)計(jì)分為4類(見圖1)，從左至右依次為：極端U形、緩和U形、V形和緩和V形.

表1 三體船主尺度數(shù)據(jù)

圖1 側(cè)體橫剖面構(gòu)型設(shè)計(jì)

船舶運(yùn)動(dòng)直角坐標(biāo)系和側(cè)體位置參數(shù)設(shè)置見圖2，原點(diǎn)選在三體船主體船尾中縱剖面處，側(cè)體與主體縱向間距為a,橫向距離為b，主體長(zhǎng)Lm，側(cè)體長(zhǎng)Ls.

圖2 三體船坐標(biāo)系和側(cè)體位置參數(shù)設(shè)置

對(duì)三體船側(cè)體的側(cè)體橫剖面形狀、側(cè)體排水量占總排水量比例、側(cè)體距主體縱向位置、側(cè)體距主體橫向位置這4個(gè)因素各選取4個(gè)水平進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，側(cè)體縱向位置a變化范圍為[0，0.663Lm]，變化梯度0.221Lm.橫向位置b變化范圍[0.085Lm，0.145Lm]，變化梯度0.02Lm.各因素水平選取見表2.

表2 側(cè)體各參數(shù)水平設(shè)置

不考慮4個(gè)因素相互影響，對(duì)此4因素4水平的試驗(yàn)進(jìn)行正交表設(shè)計(jì)，選取L16(45)的正交設(shè)計(jì)表(見表3)，多出來的一個(gè)空白列作為誤差項(xiàng).計(jì)算模型采用船模尺度進(jìn)行計(jì)算，縮尺比α=40,計(jì)算航速取三體船最大弗勞德數(shù)Fr=0.57對(duì)應(yīng)速度V=3.09 m/s.

表3 L16(45)正交設(shè)計(jì)表和阻力計(jì)算結(jié)果

2 側(cè)體參數(shù)對(duì)總阻力影響分析

(3)

p個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的總離差平方和：

(4)

第j列(即第j個(gè)因素)的離差平方和：

(5)

表4為單位排水量總阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行極差和方差分析結(jié)果，其中DF為自由度.

表4 單位排水量總阻力結(jié)果分析

正交設(shè)計(jì)法數(shù)據(jù)的極差分析，可以得到各因素對(duì)目標(biāo)結(jié)果的影響主次關(guān)系，數(shù)據(jù)極差越大，因素的影響越大.通過對(duì)總阻力數(shù)據(jù)的極差分析(見表4和圖3)，可以看到極差從大到小的因素依次為B,C,A,D，說明側(cè)體的4個(gè)參數(shù)對(duì)船總阻力影響的主次關(guān)系為側(cè)體排水量、縱向位置、側(cè)體形狀和橫向位置.結(jié)果分析表明，高速航行時(shí)三體船側(cè)體的縱向位置對(duì)總阻力的影響比側(cè)體橫向位置的影響大，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[7]對(duì)三體船模型所做的阻力試驗(yàn)研究得出的結(jié)論一致.其中，側(cè)體排水量較優(yōu)水平為B1，即排水量最小的2%水平；縱向位置較優(yōu)為C1，即a/Lm=0的船舯后；側(cè)體形狀較優(yōu)為A4,不對(duì)稱內(nèi)側(cè)緩和V形側(cè)體；橫向位置較優(yōu)為D3，b/Lm=0.125距主體適中位置.

圖3 各因素對(duì)應(yīng)水平均值比較

通過正交設(shè)計(jì)方案結(jié)果分析得到的較優(yōu)的因素水平為A4B1C1D3，這個(gè)組合沒有在方案中出現(xiàn)，通過對(duì)優(yōu)選方案的數(shù)值模擬得到其單位排水量總阻力為610.09 N/t，比其他16組計(jì)算方案結(jié)果要小，因此也驗(yàn)證了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)選方法的科學(xué)性.優(yōu)選方案相關(guān)自由液面和波高見圖4、圖5. 在主體尾部，方尾的存在使船后形成了一個(gè)和主體寬度相當(dāng)?shù)摹半u尾流”，長(zhǎng)度約為主體船長(zhǎng)的1/10，虛長(zhǎng)度的存在使得相當(dāng)船長(zhǎng)得到增加，船體顯得更加瘦長(zhǎng)，有利于減小船舶興波阻力.

圖4 優(yōu)化三體船自由液面波形圖

圖5 距主體中縱剖面不同距離處剖面波高圖

方差分析主要是考察各因素對(duì)結(jié)果的影響相關(guān)程度，并通過最終的F值查F值檢驗(yàn)表得到各因素顯著性大小.表4中，側(cè)體各因素的F值從大到小依次為B側(cè)體排水量(43.74)、C縱向位置(24.67)、A側(cè)體形狀(12.94)和D橫向位置(1.61)，F(xiàn)值顯著性大小排列順序與極差排列順序一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了極差分析的準(zhǔn)確性. 通過查詢F分布臨界值F0.05(3,3)=9.28，F(xiàn)0.025(3,3)=15.44，F(xiàn)0.01(3,3)=29.46，得到側(cè)體形狀、側(cè)體排水量和側(cè)體縱向位置置信度均大于95%，三個(gè)因素對(duì)總阻力結(jié)果都屬于高度顯著因素.側(cè)體橫向位置對(duì)總阻力置信度較小，屬于對(duì)總阻力影響較小的因素.

3 結(jié) 論

通過對(duì)三體船不同側(cè)體參數(shù)下高速航行時(shí)靜水航行阻力性能的計(jì)算分析，得到以下結(jié)論.

1) 側(cè)體參數(shù)對(duì)三體船高速航行時(shí)總阻力影響主次關(guān)系依次為：側(cè)體排水量、側(cè)體縱向位置、側(cè)體橫剖面構(gòu)型、和側(cè)體橫向位置.

2) 側(cè)體參數(shù)中側(cè)體排水量、側(cè)體縱向位置和側(cè)體形狀對(duì)三體船總阻力具有高度顯著性，側(cè)體橫向位置屬于影響較小因素.

3) 掌握了三體船側(cè)體各參數(shù)對(duì)三體船總阻力影響的關(guān)系，有利于在三體船側(cè)體優(yōu)化過程中，正確合理的選取三體船側(cè)體參數(shù)最大限度優(yōu)化總阻力，從而探討一種高速三體船阻力優(yōu)化的新思路和方法：在合理的范圍內(nèi)優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)排水量較小側(cè)體，側(cè)體縱向分布在船舯后，對(duì)側(cè)體橫剖面構(gòu)型選擇不對(duì)稱內(nèi)側(cè)緩和V型，側(cè)體距離主體橫向分布適中位置.

后續(xù)將開展船模試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)三體船主體和側(cè)體之間的興波干擾機(jī)理進(jìn)行深入研究.

[1]趙連恩，韓端峰.高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2007.

[2]TAMPIER B G, SALAS I M. Hydrodynamic ship

design for service conditions[J]. Ocean Engineering，2014,75:23-29.

[3]李云波，陳 康、黃德波.三體船粘性阻力計(jì)算與計(jì)算方法比較[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2005,20(4):452-457.

[4]趙 藤，孫 鵬，于 雷.基于CFD的三體船流場(chǎng)數(shù)值模擬可靠性研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012,40(11):81-83.

[5]李江華，黃德波.三體船構(gòu)型與興波阻力關(guān)系研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,23(1):26-32.

[6]張亞萍.三體船側(cè)體阻力特性研究[J].國(guó)外艦船工程，2001(2):5-13.

[7]MIGALI A, MIRANDA S, PENSA S. Experimental study on the efficiency of trimaran configuration for high-speed very large ships[C]∥FAST 2001. Southampton, UK: The Royal Institution of Naval Architects,2001:1-5.

Optimization Research on the Side Hull Configuration and Position of Trimaran Based on Orthogonal Design Method

ZHANG Lei ZHANG Jianing

(SchoolofTransportationEquipmentandOceanEngineering,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)

The paper classified and designed for the cross section configuration of side hull, preliminarily selected optimized programs which consist of different side hull parameters: body line, tonnage, transverse and longitudinal position based on Taguchi orthogonal design method. The optimized scheme is obtained by analyzing the major and minor relationship of side hull parameters affecting on total resistance through numerical simulation, a method for trimaran resistance performance optimization was explored.

trimaran； Taguchi orthogonal design method; side hull parameters; resistance performance optimization.

2015-03-20

U674.951

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.016

張 雷(1988- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇傲黧w