隨機(jī)條件下基于CFD的雙體船水動(dòng)力性能不確定度量化分析.pdf

1、近年來，基于計(jì)算流體動(dòng)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(jī)優(yōu)化——魯棒設(shè)計(jì)優(yōu)化和可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)展。不確定度的量化和分析是隨機(jī)優(yōu)化的核心環(huán)節(jié)，它對(duì)操作、環(huán)境等隨機(jī)條件下的船舶的水動(dòng)力性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，為隨機(jī)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(chǎng)中備受關(guān)注的高速雙體船為研究對(duì)象，以雙體船Delft Catamaran372為例，使用粘性流體計(jì)算工具CFD

2、Ship-Iowa V4.5，對(duì)隨機(jī)條件下的雙體船水動(dòng)力性能及其不確定度進(jìn)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(jī)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(dòng)力性能的計(jì)算和分析；靜水中隨機(jī)航速和/或隨機(jī)船型條件下水動(dòng)力性能的不確定度量化和分析；不規(guī)則波、隨機(jī)規(guī)則波和隨機(jī)船型條件下水動(dòng)力性能的不確定度量化和分析。論文在進(jìn)行以上每項(xiàng)工作時(shí)，首先利用驗(yàn)

3、證和確認(rèn)（Verification&Validation,V&V）方法對(duì)一些典型的靜水和規(guī)則波條件下計(jì)算網(wǎng)格的收斂性進(jìn)行了分析，并通過實(shí)驗(yàn)流體動(dòng)力學(xué)（Experimental Fluid Dynamics,EFD）數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)，保證了CFD計(jì)算結(jié)果的可靠性，為進(jìn)行隨機(jī)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(jì)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(duì)水動(dòng)力性能的影響。深水條件下，首先對(duì)s=0.23的雙體船在Fr=0.5時(shí)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了V&V分析。然后，選取計(jì)算工況0.3≤Fr≤0.8，0.17≤s≤0.30，并利用意大利船模試驗(yàn)水池（INSEAN）的EFD數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。當(dāng)Fr=0.5時(shí)，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(dá)到最大值。當(dāng)Fr較小或較大時(shí)，Cp/

5、Cf<1，總阻力CT相對(duì)較小，片體間距s的影響可以忽略不計(jì)。通過自由面興波和邊界層局部流場(chǎng)的研究進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。淺水條件下，首先對(duì)s=0.23的雙體船在Fr=0.344，h/T=2.5時(shí)的阻力、下沉和縱傾進(jìn)行V&V分析。然后，選取計(jì)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(dòng)力學(xué)中心（BSHC）的EFD數(shù)據(jù)驗(yàn)證了CFD計(jì)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(shí)，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(dá)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(gè)比較簡(jiǎn)單的隨機(jī)問題——靜水中高速雙體船在隨機(jī)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(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了隨機(jī)船型，通過不確定度量化分析探索了船型優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。其中，隨機(jī)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?cái)嗍秸龖B(tài)分布；隨機(jī)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(duì)原始船型網(wǎng)格在Fr=0.5時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了收斂性分析和精度驗(yàn)證。其次，使用基于CFD計(jì)算的拉丁超立方抽樣蒙特卡羅法對(duì)隨機(jī)條件下水動(dòng)力性能的期望、均方差、分布函數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和收斂性分析。最后，對(duì)近似模型蒙特卡羅法和積分方法的收斂性和精度進(jìn)行了分析驗(yàn)

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(jī)（LS-SVM）。積分方法有：梯形和辛普森法則、高斯積分和多項(xiàng)式混沌法。積分方法分別在隨機(jī)變量空間和概率空間內(nèi)進(jìn)行。其中，高斯積分所需CFD計(jì)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(duì)比隨機(jī)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(jì)變量的個(gè)數(shù)，但在該隨機(jī)條件下的

9、船型優(yōu)化中沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　論文的第三部分對(duì)船舶在真實(shí)海況不規(guī)則波迎浪條件下的阻力、運(yùn)動(dòng)和砰擊載荷進(jìn)行了不確定度量化和分析。首先，利用V&V方法對(duì)網(wǎng)格在靜水和典型規(guī)則波條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行收斂性分析和精度驗(yàn)證。其次，基于Bretschneider波浪譜函數(shù)生成六級(jí)海況下不規(guī)則入射波，模擬了迎浪條件下雙體船的運(yùn)動(dòng)并分析水動(dòng)力性能的統(tǒng)計(jì)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(jī)規(guī)則波方法，以不規(guī)則波直接模擬作

10、為基準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)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(qiáng)非線性。最后，基于KLE方法構(gòu)造隨機(jī)船型，其在靜水中阻力減小6.5%；在波浪中阻力減小3.9%，運(yùn)動(dòng)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(jì)中需要平衡二者的關(guān)系。
　　本文以高速雙體船為例，針對(duì)隨機(jī)條件下的水動(dòng)力性能分析設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的不確定度量