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原文传递球鼻艏参数化优化方法研究

论文题名：	球鼻艏参数化优化方法研究
关键词：	集装箱船;球鼻艏;参数化优化;减阻性能
摘要：	随着全球节能减排力度的加强以及油价的持续上涨，减速航行已成为航运企业走出市场低谷的一项措施。对于碳排放水平相对较高的集装箱船来说，减速航行因具有能够降低燃油成本和消耗剩余船舶运力等优势，成为航运业重要的经营策略。　　由于新航速下，船舶的流场特性不同于设计状态，为了充分发挥球鼻艏的减阻优势，需要重新对球鼻艏进行改装设计。本文选取某4250-TEU集装箱船为研究对象，以总阻力系数为优化目标，对降速航行下的球鼻艏进行优化设计，主要包括以下几项内容：　　（1）研究目标船型阻力数值求解方法。近年来，随着计算机技术的飞速发展，CFD已成为分析船舶流场特性及新船型研发的重要辅助工具，根据计算结果来判断数值方法的有效性是重要的研究策略。本文采用RNG k??模型求解湍流控制方程，对湍流发展不充分的近壁面采用标准壁面函数（standard wall functions）进行处理，自由液面的追踪采用VOF流体体积法，压力和速度的耦合项采用SIMPLE半隐方法求解，对流项的插值采用二阶迎风格式，对目标船型4250-TEU在全航速下的阻力进行数值计算。　　（2）为了验证阻力数值方法的可靠性，文章开展了船模阻力试验。整个试验过程中包括模型的加工、安装及数据的测量都严格按照相关标准进行。数值计算值和试验测量值的对比显示：两者之间的相对误差控制在5.8%以内，且阻力随速度的变化趋势也基本一致，说明使用数值方法进行目标船型的阻力预报是可行的。　　（3）为了研究球鼻形状对阻力的影响，文章对球鼻艏进行参数化分析，分别选取球鼻伸出长度、球鼻浸深、球鼻最大宽度及球鼻最低点在首垂线处的高度值四个值作为球鼻特征参数，采用空间填充的拉丁超立方抽样设计了十二个不同参数组合的球鼻艏方案，运用与前文相同的数值模拟方法对所有船型的阻力进行求解，并对各方案下球鼻参数和总阻力系数之间的响应关系进行曲面拟合。拟合结果显示，球鼻参数对阻力的影响是非线性耦合的，在试验点个数有限的情况下，很难直接通过函数关系式表示出来。　　（4）针对这一问题，本文提出将神经网络应用于球鼻参数和总阻力系数之间响应关系的构建，球鼻参数作为网络的输入量，阻力系数视为网络的输出量，网络的训练采用基于梯度的误差反向传播算法（Error Back-Propagation Algorithm），结果表明训练后的网络具有较好的拟合能力和预测精度。为了确定阻力最优的球鼻参数方案，文章把网络预测输出的总阻力系数Ctm作为个体的适应度值，采用遗传算法确定了阻力系数最优的个体，并依照最优个体的参数值修改球鼻艏并进行阻力求解验证，结果显示，该方法使得船舶在新航速下的总阻力系数降低了8.16%。　　本文以阻力性能为指标，提出一种球鼻艏参数化优化方法，对于球鼻艏的设计和优化有一定指导作用。
作者：	高现娇
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	孙江龙
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文