摘 要

船舶自出现以来就是重要的水上交通运输工具，承担着不可替代的作用。随着全球贸易的蓬勃发展以及海洋资源开发的进程加快，船舶发挥的作用日益显著，然而不可避免的是带来的污染同样严重。在2013年，国际海事组织（IMO）创造了船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI），对绿色船舶的衡量创造了标准。而船型极大程度决定了船舶的功能，直接影响了船舶航行性能以及经济效益，在船舶的整个设计过程中占有十分重要的地位。

本文将,运用CFD计算软件Shipflow对沿海客船进行船型优化。论文的主要研讨内容涉及下面几个方面：

1. 船舶的参数化建模，参数化建模的原理意义，NURBS曲面建模的原理以及插值方法的比较，为后续优化做准备。
2. 运用CFD软件Shipflow对船体的总阻力进行计算。优化过程中所选定的目标为总阻力。在阻力的计算中，运用面元法中的Rankine源法对船体的兴波阻力进行计算，运用基于RANS方程求解船体的粘性阻力。
3. 选取合适的优化算法对沿海客船进行总阻力优化，本文选取的是PSO算法，介绍其原理和应用。
4. 根据建立的模型，对母型船和优化船阻力计算结果进行分析比较，了解基于CFD船体优化的完整流程。

关键词：船型优化，CFD，Shipflow，总阻力优化

Abstract

Since the invention of the ship, it has been an important means of water transportation and plays an indispensible role. With the rapid development of global trade and the accelerated development of Marine resources, ships are playing an increasingly prominent role. However, it is inevitable that the pollution will be equally serious. In 2013, the international maritime organization (IMO) created the ship Energy Efficiency Design Index (EEDI), which created the standard for the measurement of green ships. The ship shape determines the ship's function to a great extent, directly affects the ship's navigation performance and economic benefits, and plays an important role in the whole ship design process.

This paper will use CFD calculation software Shipflow to optimize the ship type of coastal passenger ships.The main research contents of this paper involve the following aspects:

1) Parametri modeling of ships, theoretical significance of parametric modeling, principles of NURBS surface modeling and comparison of interpolation methods to prepare for subsequent optimization.

2) Using CFD software Shipflow to calculate the total resistance of the ship. The target selected in the optimization process is total resistance. In the calculation of the resistance, the wave resistance of the hull is calculated by using the Rankine source method in the surface element method, and the viscous resistance of the hull is solved by using the RANS equation.

3) Select the appropriate optimization algorithm to optimize the total resistance of coastal passenger ships. In this paper , PSO algorithm has been selected and introduced its principle and application.

4) According to the established model, analyze and compare the calculation results of the resistance of the mother ship and the optimized ship, and understand the complete process based on CFD hull optimization.

Key words: ship type optimization, CFD, Shipflow, total resistance optimization

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2基于CFD船型优化 2

1.3国内外发展现状 4

1.4 本文研究内容 5

1.5本文框架 6

第二章 船体参数化建模 7

2.1船体参数化变形 7

2.2 NURBS曲面表达 7

2.3插值方法比较 8

2.4 径向基函数及其插值 9

2.4.1 径向基函数插值的定义 9

2.4.2 曲面变形插值方程 10

2.5 变形实例 12

2.6 本章小结 13

第三章 Shipflow原理及应用 14

3.1 Shipflow原理 14

3.1.1 兴波阻力 14

3.1.2粘性阻力 15

3.2 母型船的阻力计算] 17

3.3 本章小结 19

第四章 优化算法 20

4.1优化算法的定义 20

4.2 PSO算法 21

4.2.1 PSO算法原理 21

4.2.2 标准PSO算法流程 22

4.2.3 PSO算例 23

4.3 本章小结 24

第五章 基于CFD的沿海客船优化 26

5.1 优化对象的描述 26

5.2 沿海客船的优化流程 27

5.3 优化结果分析 31

5.4 本章小结 31

第六章 论文总结及展望· 32

6.1论文总结 32

6.2论文的展望 32

致 谢 33

参考文献 35

第一章 绪论

1. 1研究背景及意义

船舶自出现以来就是重要的水上交通运输工具，承担着不可替代的作用。随着全球贸易的蓬勃发展以及海洋资源开发的进程加快，船舶发挥的作用日益显著，然而不可避免的是带来的污染同样十分严重。2013年国际海事组织（IMO）创造了船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI），对绿色船舶的衡量创造了标准。而船型极大程度决定了船舶的功能，直接影响了船舶航行性能以及经济效益，在整个船舶设计过程中占有重要的地位。

现阶段，大部分情况下仍旧采用传统的船型设计方法，通常是按照过往的母型船型线、船模系列试验资料，依据某种规则对型线加以修改而得到新的船型，之后制作船模再次进行试验验证。这种传统意义的设计模式最大的弊处是极其的依赖于设计师的经验和以往的传统数据，并且需要花费大量的时间和金钱去制造模型，又由于尺度效应，傅汝德数和雷诺数无法完全相等，船模并不能真实再现实船的流场情况，仅仅只能得到相对而言符合要求的设计方案。由于无法跳出母型船的束缚，这种船型优化的实质实际上是一个择优的过程，抑制了船舶的整体设计水平提高。

几十年来，计算机行业得到了飞速发展，随之利用计算机软件解决工程问题的趋势被各个行业广泛接受。其中包含与船舶相关的计算流体运动学（CFD），CFD是在计算机上模拟流体的运动、传热、传质过程并对相应的偏微分方程进行求解。将其与计算机技术结合起来使得船型优化的有效手段成为可能。运用CFD工具对设定的船舶水动力性能进行仿真计算，同时使用优化算法和船体曲面变形技术对船型设计空间进行探索，最终得出一定条件下的最优船体型线^[1-2]。利用CFD优化船型的大致流程图如下。

图1-1 基于CFD船型优化流程图

基于CFD的船型优化对船型技术的发展可能尤为重要，其主要意义体现在将船型设计从传统经验模式向以先进的数值评估理论为基础的知识化模式发展^[3]。由CFD数值模拟技术代替以往的物理模型试验，基于传统经验的改型被先进优化算法替代，又利用建模软件取代了实际的模型制作，以实现自动、高效、智能化的优化过程。整个优化过程高度融合了现代各个学科的先进技术，基于CFD的船型优化设计技术结合了现代优化理论和先进的数值计算技术，是一种智能化的船型优化的设计体系，为船型优化的发展和创新船舶的进程开创了新的阶段。

1.2基于CFD船型优化^[3][4]

1.2.1 基于CFD船型优化的基本内涵

从数学观点而言，基于CFD的船型优化设计实际归属于最优化问题。从最优化问题的定义出发，其中包含了三个基本要素：目标函数、设计变量和约束条件。在船型设计中，目标函数是船舶的水动力性能（如阻力、推进效率和适航性能、操纵性能等等）；设计变量是与船体几何相关联的数学参数；约束条件是船体几何外形的限制条件（排水、体积等）；船舶CFD通过不可压缩牛顿流体三维湍流运动的速度、压力场来预报船舶航行的水动力性能，其包括阻力成风、伴流、波形以及推进、操纵性研究。然而，船型优化问题的目标函数与设计变量之间不能够用简单的数学关系式直接表示，而是是未知的、隐式的。CFD数值模拟方法为该隐式函数的计算提供了一种高效的途径。优化设计问题的数学模型通过CFD建立起后,将利用优化算法求解，通过优化问题的求解获得给定约束条件下的最优水动力性能船型。

船舶CFD优化方向的应用，从国际拖曳水池会议阻力和推进委员会的报告看来主要有以下特点：

1. 设计中使用最多的内容是基于势流理论的兴波阻力和绕船波形的计算，线型或者非线性自由表面的边界条件通常都使用面元法来划定。随着近年来计算机技术的发展使得求解各类控制方程和计算具有较强非线性特征边界条件的流动现象成为可能。
2. 如今CFD应用发展的热点之一是粘性流场计算，绕船体粘性流的模拟计算能够提供船模实验结果外插到实船的依据和模型或实船的粘性阻力预报、实船的有效伴流场分布、流场的分离以及后体丰满度限制等信息。

当前CFD在阻力计算时一般分开考虑自由表面和液体粘性，一类一般依据势流理论，不考虑粘性仅考虑自由表面的影响，利用GREEN函数求解兴波问题；二是考虑粘性，利用N-S方程求解尾流问题。故大多应用是将阻力预报和势流理论与N-S方程结合使用，前者求解兴波阻力，后者计算粘性阻力。

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