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原文传递基于RANS法与SBD技术的船舶阻力性能优化方法研究

论文题名：	基于RANS法与SBD技术的船舶阻力性能优化方法研究
关键词：	船舶阻力性能;计算方法;边界层网格;湍流模型
摘要：	在船舶阻力性能优化中，对阻力性能的预报方法、对船型及浮态设计方案的优化方法是至关重要的。对于常规的排水型船舶来说，良好的型线设计方案是众多减阻手段中的重要基础;对于高速滑行艇来说，良好的浮态设计方案是平衡高航速低阻力与纵向运动稳定性之间关系的重要手段。　　随着计算机性能的不断提高、数值模拟技术的不断发展，基于RANS法的船舶阻力性能预报方法也得到了广泛的研究与发展;同时，为了降低优化计算的成本，SBD技术也应运而生，并在船舶、车辆以及航空航天等诸多领域得到了发展与应用。目前在基于RANS法预报船舶阻力性能时，关于边界层的设置往往需要较多的论证工作，缺乏较简易的设置建议;关于计算域的大小及湍流模型的选择也多依据经验进行设置，缺乏较合理的参照方案。同时，将SBD技术应用于船舶优化设计领域时，缺乏对近似模型中建模方法的对比讨论、也缺乏针对具体问题的改进方案。因此，针对这一系列问题，论文从对基于RANS法的船舶阻力性能预报方法以及基于SBD技术的阻力性能优化方法两方面入手，首先讨论了在基于RANS法的船舶阻力性能计算中，边界层网格的设置、计算域大小的设计及针对常规排水型船与滑行艇两种不同船型的湍流模型的选择问题;随后对比分析了不同近似模型构建方法的建模精度，并针对两个具体的优化问题提出了相应的改进方案。具体的说，本文的研究工作有以下4个方面: 　　(1)以KCS船模与Fridsma滑行艇两种不同的船型为计算对象，进行了基于RANS法的船舶阻力性能及纵向运动的预报，得到的预报结果与水池试验值相比误差较小，验证了论文所提出的边界层设置方法及计算域大小设计方法的合理性，并给出了两种船型的湍流模型的选择建议。　　(2)在基于型线设计的阻力性能优化方法研究中，将OLHS抽样法、Kriging模型法、敏感性分析、NSGA-Ⅱ优化算法相结合的SBD优化技术应用到一艘双尾鳍远洋渔船的尾部型线优化之中，较完整地展示了采用SBD技术进行优化设计时的流程，并对比分析了不同近似模型构建方法的建模精度，最终得到了四个航速下平均减阻5.4％、设计航速下减阻5.6％的尾鳍优化设计方案，体现了SBD优化技术的可靠性。　　(3)在基于主尺度要素设计的低速直首式肥大型船舶的阻力性能优化方法研究中，由于几何建模时的设计变量与近似模型构建时的设计变量是存在耦合关系的不同变量，导致在数据训练时，在设计空间的边缘处产生“缺口”，论文针对这一问题提出了基于边缘修正样本的Kriging法，根据缺口距离均匀地生成边缘补充样本点，保证Kriging模型能够较完整的覆盖整个设计空间。在验证了基于ECS-Kriging法所构建的近似模型在设计空间边缘处拥有更佳的近似精度之后，将其应用到KVLCC2油船、KCS集装箱船及66000DWT散货船的主尺度要素优化之中，最终分别得到了减阻7.85％、5.08％及8.24％的主尺度要素优化设计方案。　　(4)在基于浮态设计的滑行艇阻力性能优化方法研究中，由于数值计算收敛的难易程度体现了滑行艇纵向运动的稳定程度，继而影响到样本点距离航态分界线的远近，因此无法简单的依靠基本的SVM算法构建稳定航行与纵向运动失稳样本点之间的分界线，论文针对这一问题提出了基于偏离度约束的SVM算法，将各个样本点的收敛难易程度作为偏离度约束添加到SVM算法中，进行了考虑“海豚运动”的滑行艇浮态优化设计方法研究，并以一艘V型高速滑行艇的浮态优化设计为例，通过对稳定滑行与纵向运动失稳之间分界线的合理拟合，得到了设计航速下减阻5.15％的浮态优化设计方案。　　本文以基于船舶阻力性能的船舶优化设计为研究背景，讨论在基于RANS法进行船舶阻力性能及纵向运动的预报中的一些细节，并提出了针对船舶型线设计、主尺度要素设计以及浮态设计的SBD技术，期望论文的研究有助于船舶阻力性能优化方法的进展。
作者：	何靖仪
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	林焰
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2020