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【6h】

随机条件下基于CFD的双体船水动力性能不确定度量化分析

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近年来，基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的船型优化研究逐渐从确定优化向随机优化——鲁棒设计优化和可靠性设计优化发展。不确定度的量化和分析是随机优化的核心环节，它对操作、环境等随机条件下的船舶的水动力性能进行评价和分析，为随机优化提供目标函数和/或约束条件。本文以民用和军用市场中备受关注的高速双体船为研究对象，以双体船Delft Catamaran372为例，使用粘性流体计算工具CFDShip-Iowa V4.5，对随机条件下的双体船水动力性能及其不确定度进行研究，建立了系统的不确定度量化分析方法，为今后基于CFD的船型随机优化系统的开发奠定了基础。
　　论文的具体工作包括：船舶在静水（深水、浅水）和规则波等确定条件下的水动力性能的计算和分析；静水中随机航速和/或随机船型条件下水动力性能的不确定度量化和分析；不规则波、随机规则波和随机船型条件下水动力性能的不确定度量化和分析。论文在进行以上每项工作时，首先利用验证和确认（Verification&Validation,V&V）方法对一些典型的静水和规则波条件下计算网格的收敛性进行了分析，并通过实验流体动力学（Experimental Fluid Dynamics,EFD）数据对其进行确认，保证了CFD计算结果的可靠性，为进行随机条件下的不确定度量化和分析提供了保障。
　　论文的第一部分计算了双体船Delft Catamaran372在深水和浅水中的阻力、下沉和纵倾，并分析了傅汝德数Fr，片体间距s，水深h对水动力性能的影响。深水条件下，首先对s=0.23的双体船在Fr=0.5时的水动力性能进行了V&V分析。然后，选取计算工况0.3≤Fr≤0.8，0.17≤s≤0.30，并利用意大利船模试验水池（INSEAN）的EFD数据进行了对比验证。当Fr=0.5时，波峰位于船艏附近，波谷位于船尾附近，产生的压阻力最大，因此总阻力系数CT、压阻力和摩擦阻力系数之比Cp/Cf和片体相互影响系数IF达到最大值。当Fr较小或较大时，Cp/Cf<1，总阻力CT相对较小，片体间距s的影响可以忽略不计。通过自由面兴波和边界层局部流场的研究进行了进一步的分析。浅水条件下，首先对s=0.23的双体船在Fr=0.344，h/T=2.5时的阻力、下沉和纵倾进行V&V分析。然后，选取计算工况s=0.17和0.23、h/T=2.5和2、水深傅汝德数Frh=0.775-1.739，并通过保加利亚船舶水动力学中心（BSHC）的EFD数据验证了CFD计算结果。在临界速度（Frh≈1）附近，CT随水深减小而增加。当速度较高时，船体呈现抬高的姿态，湿表面积减小，导致阻力减小。IF在临界速度附近达到峰值，s较小的双体船IF较大。从自由面兴波可以看出，浅水中横波比较明显。
　　论文的第二部分考虑了一个比较简单的随机问题——静水中高速双体船在随机航速条件下阻力、下沉和纵倾的不确定度量化分析，并在前人船型优化设计的基础上设计了随机船型，通过不确定度量化分析探索了船型优化设计空间。其中，随机Fr符合期望为0.5，均方差为0.05，95％置信区间内的截断式正态分布；随机船型位于原始船型和基于Karhunen-Loève Expansion（KLE）方法得到的变形最大的船型之间，其参数符合一维均匀分布。首先，利用V&V方法对原始船型网格在Fr=0.5时的计算结果进行了收敛性分析和精度验证。其次，使用基于CFD计算的拉丁超立方抽样蒙特卡罗法对随机条件下水动力性能的期望、均方差、分布函数进行了计算和收敛性分析。最后，对近似模型蒙特卡罗法和积分方法的收敛性和精度进行了分析验证。使用的近似模型有：插值法、Inverse Distance Weighting（IDW）、响应面模型和最小二乘支持向量机（LS-SVM）。积分方法有：梯形和辛普森法则、高斯积分和多项式混沌法。积分方法分别在随机变量空间和概率空间内进行。其中，高斯积分所需CFD计算量最小，但近似模型蒙特卡罗法能够提供置信区间和分布函数，适用性更广。通过对比随机船型与前人船型确定性优化的结果可以看出，KLE方法可以减少设计变量的个数，但在该随机条件下的船型优化中没有体现出明显的优势。
　　论文的第三部分对船舶在真实海况不规则波迎浪条件下的阻力、运动和砰击载荷进行了不确定度量化和分析。首先，利用V&V方法对网格在静水和典型规则波条件下的计算结果进行收敛性分析和精度验证。其次，基于Bretschneider波浪谱函数生成六级海况下不规则入射波，模拟了迎浪条件下双体船的运动并分析水动力性能的统计特性。然后，基于波浪周期和波高的联合概率分布函数提出了随机规则波方法，以不规则波直接模拟作为基准对其进行验证，期望、均方差和分布函数都十分接近，可认为二者的相似度很高。通过不规则波和规则波中阻力RAO的比较，可以看出该船舶在该海况中的阻力表现出强非线性。最后，基于KLE方法构造随机船型，其在静水中阻力减小6.5%；在波浪中阻力减小3.9%，运动无明显改变，砰击载荷最大增加6.4%，阻力和砰击载荷之间存在一定矛盾，在设计中需要平衡二者的关系。
　　本文以高速双体船为例，针对随机条件下的水动力性能分析设计了系统的不确定度量化和分析方法，并通过随机船型对优化设计空间进行了初步的探索，为今后波浪中高速双体船的鲁棒性设计优化和可靠性设计优化奠定了基础。

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