隨機條件下基于CFD的雙體船水動力性能不確定度量化分析.pdf

1、近年來，基于計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）的船型優(yōu)化研究逐漸從確定優(yōu)化向隨機優(yōu)化——魯棒設(shè)計優(yōu)化和可靠性設(shè)計優(yōu)化發(fā)展。不確定度的量化和分析是隨機優(yōu)化的核心環(huán)節(jié)，它對操作、環(huán)境等隨機條件下的船舶的水動力性能進行評價和分析，為隨機優(yōu)化提供目標(biāo)函數(shù)和/或約束條件。本文以民用和軍用市場中備受關(guān)注的高速雙體船為研究對象，以雙體船Delft Catamaran372為例，使用粘性流體計算工具CFD

2、Ship-Iowa V4.5，對隨機條件下的雙體船水動力性能及其不確定度進行研究，建立了系統(tǒng)的不確定度量化分析方法，為今后基于CFD的船型隨機優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
　　論文的具體工作包括：船舶在靜水（深水、淺水）和規(guī)則波等確定條件下的水動力性能的計算和分析；靜水中隨機航速和/或隨機船型條件下水動力性能的不確定度量化和分析；不規(guī)則波、隨機規(guī)則波和隨機船型條件下水動力性能的不確定度量化和分析。論文在進行以上每項工作時，首先利用驗

3、證和確認(rèn)（Verification&Validation,V&V）方法對一些典型的靜水和規(guī)則波條件下計算網(wǎng)格的收斂性進行了分析，并通過實驗流體動力學(xué)（Experimental Fluid Dynamics,EFD）數(shù)據(jù)對其進行確認(rèn)，保證了CFD計算結(jié)果的可靠性，為進行隨機條件下的不確定度量化和分析提供了保障。
　　論文的第一部分計算了雙體船Delft Catamaran372在深水和淺水中的阻力、下沉和縱傾，并分析了傅汝德數(shù)Fr，

4、片體間距s，水深h對水動力性能的影響。深水條件下，首先對s=0.23的雙體船在Fr=0.5時的水動力性能進行了V&V分析。然后，選取計算工況0.3≤Fr≤0.8，0.17≤s≤0.30，并利用意大利船模試驗水池（INSEAN）的EFD數(shù)據(jù)進行了對比驗證。當(dāng)Fr=0.5時，波峰位于船艏附近，波谷位于船尾附近，產(chǎn)生的壓阻力最大，因此總阻力系數(shù)CT、壓阻力和摩擦阻力系數(shù)之比Cp/Cf和片體相互影響系數(shù)IF達到最大值。當(dāng)Fr較小或較大時，Cp/

5、Cf<1，總阻力CT相對較小，片體間距s的影響可以忽略不計。通過自由面興波和邊界層局部流場的研究進行了進一步的分析。淺水條件下，首先對s=0.23的雙體船在Fr=0.344，h/T=2.5時的阻力、下沉和縱傾進行V&V分析。然后，選取計算工況s=0.17和0.23、h/T=2.5和2、水深傅汝德數(shù)Frh=0.775-1.739，并通過保加利亞船舶水動力學(xué)中心（BSHC）的EFD數(shù)據(jù)驗證了CFD計算結(jié)果。在臨界速度（Frh≈1）附近，CT

6、隨水深減小而增加。當(dāng)速度較高時，船體呈現(xiàn)抬高的姿態(tài)，濕表面積減小，導(dǎo)致阻力減小。IF在臨界速度附近達到峰值，s較小的雙體船IF較大。從自由面興波可以看出，淺水中橫波比較明顯。
　　論文的第二部分考慮了一個比較簡單的隨機問題——靜水中高速雙體船在隨機航速條件下阻力、下沉和縱傾的不確定度量化分析，并在前人船型優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)計了隨機船型，通過不確定度量化分析探索了船型優(yōu)化設(shè)計空間。其中，隨機Fr符合期望為0.5，均方差為0.05，9

7、5％置信區(qū)間內(nèi)的截斷式正態(tài)分布；隨機船型位于原始船型和基于Karhunen-Loève Expansion（KLE）方法得到的變形最大的船型之間，其參數(shù)符合一維均勻分布。首先，利用V&V方法對原始船型網(wǎng)格在Fr=0.5時的計算結(jié)果進行了收斂性分析和精度驗證。其次，使用基于CFD計算的拉丁超立方抽樣蒙特卡羅法對隨機條件下水動力性能的期望、均方差、分布函數(shù)進行了計算和收斂性分析。最后，對近似模型蒙特卡羅法和積分方法的收斂性和精度進行了分析驗

8、證。使用的近似模型有：插值法、Inverse Distance Weighting（IDW）、響應(yīng)面模型和最小二乘支持向量機（LS-SVM）。積分方法有：梯形和辛普森法則、高斯積分和多項式混沌法。積分方法分別在隨機變量空間和概率空間內(nèi)進行。其中，高斯積分所需CFD計算量最小，但近似模型蒙特卡羅法能夠提供置信區(qū)間和分布函數(shù)，適用性更廣。通過對比隨機船型與前人船型確定性優(yōu)化的結(jié)果可以看出，KLE方法可以減少設(shè)計變量的個數(shù)，但在該隨機條件下的

9、船型優(yōu)化中沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。
　　論文的第三部分對船舶在真實海況不規(guī)則波迎浪條件下的阻力、運動和砰擊載荷進行了不確定度量化和分析。首先，利用V&V方法對網(wǎng)格在靜水和典型規(guī)則波條件下的計算結(jié)果進行收斂性分析和精度驗證。其次，基于Bretschneider波浪譜函數(shù)生成六級海況下不規(guī)則入射波，模擬了迎浪條件下雙體船的運動并分析水動力性能的統(tǒng)計特性。然后，基于波浪周期和波高的聯(lián)合概率分布函數(shù)提出了隨機規(guī)則波方法，以不規(guī)則波直接模擬作

10、為基準(zhǔn)對其進行驗證，期望、均方差和分布函數(shù)都十分接近，可認(rèn)為二者的相似度很高。通過不規(guī)則波和規(guī)則波中阻力RAO的比較，可以看出該船舶在該海況中的阻力表現(xiàn)出強非線性。最后，基于KLE方法構(gòu)造隨機船型，其在靜水中阻力減小6.5%；在波浪中阻力減小3.9%，運動無明顯改變，砰擊載荷最大增加6.4%，阻力和砰擊載荷之間存在一定矛盾，在設(shè)計中需要平衡二者的關(guān)系。
　　本文以高速雙體船為例，針對隨機條件下的水動力性能分析設(shè)計了系統(tǒng)的不確定度量