双尾船尾型参数对阻力和伴流的敏感度分析.pdf

第 卷第期 年月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o A u g 双尾船尾型参数对阻力和伴流的敏感度分析冯鸿渔)王健)冯佰威)(武汉理工大学船海与能源动力工程学院)武汉 )(中国舰船研究设计中心)武汉 )摘要:文中基于S o b o l 方法研究了双尾船尾型参数对阻力性能和伴流质量的敏感度以双尾 mL P G运输船作为研究对象,基于参数化模型,确定特征参数及其变化范围进行阻力和桨盘面伴流均匀度的C F D数值计算,构建近似模型用于敏感度分析,得到对阻力性能和桨盘面伴流均匀度影响显著的设计参数关键词:近似模型;敏感度分析;伴流;阻力性能中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:冯鸿渔(),男,硕士生,主要研究领域为多学科船型优化通信作者:冯佰威()男,博士,副教授,主要研究领域为多学科船型优化基金项目:国家自然科学基金(,)、湖北省重点研发计划(B I D )、绿色智能内河船舶创新专项、工业和信息化部高技术船舶科研项目(工信部装函 号文)引言船型最优化技术是船舶领域的重要研究方向随着计算流体力学(c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s,C F D)技术和计算机技术的飞速发展,逐渐形成了基于C F D的船型优化框架但由于过多的船型参数会导致优化空间维度过大,仿真计算时间过长,降低了优化效率,需要降维来解决这一难题敏感度分析是一种有效的空间降维方法,通过研究优化模型中输入变量对输出的不确定性来寻找对输出影响显著的变量,去除不重要的参数,以此来降低设计空间的维度在国外,敏感度分析方法在船舶与海洋工程领域应用较为成熟,涉及结构、操纵性,以及船型优化等方向 Y e o等研究了水动力导数对潜艇操纵性的敏感度 O b i s e s a n等通过基于S o b o l 敏感度分析方法研究了相关变量对船舶碰撞中船体板位移的影响 D i e z等采用扰动方法对双体船优化模型进行了敏感度分析,降低了优化模型的维数在国内,敏感度分析方法在船舶领域中的应用虽然相对于国外较晚,但近些年来也取得了较大进展孙建刚等通过研究了水动力系数、舵的相关系数和螺旋桨伴流分数对操纵性的敏感度周佳等研究了气垫船重心位置、初始纵横倾角和前后气垫分割围裙位置等四个参数对气垫船耐波形的敏感度张恒等基于回归分析的方法研究了船型设计参数对阻力性能的敏感度上述研究针对单尾船型敏感度的研究已经取得了一定进展,但是对内河双尾船这类船型的敏感度研究较少文中以阻力性能和桨盘面伴流均匀度为目标,对内河双尾船型的特征参数进行敏感度分析,去除影响较低的参数,实现设计空间降维船型参数化建模及特征参数的确定C A E S E S参数化建模的基本原理为:提取船型特征参数构造特征参数曲线,定义横剖线曲线特征,并基于该特征由曲线生成器生成各站的横剖线特征,通过曲面生成器得到船体曲面,完成双尾船参数化模型的构建通过改变特征参数实现船型变换文中研究的 mL P G运输船参数化模型及其主要参数见图和表选取船型设计中较为关注的 个尾部特征参数,在不影响船型光顺性的前提下,依据设计经图长江某双尾货船全参数化模型表长江双尾货船主要参数表参数数值总长/m 垂线间长/m 水线长/m 型宽/m 型深/m 设计吃水/m最大吃水/m 排水体积/m 浮心纵向位置/m 验 确定这些尾部特征参数的变化范围,见表图为部分尾型参数的说明表选取的尾部特征参数变量名物理含义初始值变化范围b_B尾轴间距比 h_T尾轴高度比 I n s k e g_y/b尾部隧道内侧扩张比 C p c A f t A r e a中纵剖线尾部丰满度 D w l A f t A r e a设计水线尾部丰满度 Y D w l E n d设计水线尾端宽度 R o t 尾轴倾斜度 S _S 尾轴肥大度 X s h a f t尾轴出口距尾垂线距离 F o s D w l L e f t A n g l e平边线和设计水线的尾部交点的切向角 图选取的尾型参数示意双尾货船水动力计算及构建近似模型 长江双尾船阻力和伴流计算精度验证基于C F D软件S T A RC CM计算得到双尾货船在F r 时总阻力和桨盘面伴流均匀度计算域见图,其中L为船长,计算域沿船长方向的长度为L,对称面向船宽方向延伸L,自由液面向下延伸L,向上延伸L,湍流模型采用S S Tk 模型,网格约 万图双尾船计算域采用MA R I N水 池 提 出 的 伴 流 目 标 函 数(w a k eo b j e c t i v e f u n c t i o n,WO F)作为桨盘面伴流均匀度的衡量标准表示桨盘面各半径处轴向速度的标准差,为WO FNiMMj(Vx i jVx i)()式中:M为桨盘面沿周向等分的数目;N为桨盘面沿径向等分的数目;Vx i j为桨盘面在半径Ri/N处,角度 j/M处的无因次伴流轴向速度;Vx i为桨盘面在半径Ri/N处无因次伴流轴向速度的均值取具有代表性的 R处的轴向速度的标准差Wf作为伴流质量的衡准指标WfMMj(Vx jVx)r R()采用套疏密不同的网格进行C F D数值计算,网格数 分别为 万、万 和 万 个F r 时总阻力和桨盘面伴流均匀度的计算见表表网格无关性分析结果网格数/万总阻力/NWf 第期冯鸿渔,等:双尾船尾型参数对阻力和伴流的敏感度分析由表可知:套网格计算得到的总阻力和Wf相差不大,最疏网格和最密网格的总阻力计算结果误差仅,伴流指标的误差仅,说明网格数对计算结果的影响较小,具有一定的可靠性通过模型试验对计算结果进行验证,验证结果见表、图表总阻力的试验值和计算值对比模型航速/(ms)试验总阻力值/NC F D计算总阻力值/N相对误差/表 R处轴向伴流速度分布的试验值和计算值对比(归一化后)角度/()模型试验轴向伴流速度C F D计算轴向伴流速度 图总阻力的试验值和计算值对比图 R处轴向伴流速度分布的试验值和计算值对比由表和图可知:模型试验和C F D计算结果总阻力速度曲线基本吻合,设计航速(m/s)附近计算误差较小;由表和图可知:模型试验和C F D计算结果的轴向伴流速度分布趋势大致相当综上所述,对该双尾船的C F D数值计算精度较高,具有一定的可靠性,可以用于计算大量样本构建近似模型 近似模型的建立步骤样本点采样 在设计空间内选取样本点进行C F D数值计算,构建样本集步骤近似模型的选择及拟合 结合所研究问题的特点,选择合适的近似模型,对样本集进行拟合,建立近似模型,其中船型特征参数作为输入变量,总阻力和伴流均匀度作为输出变量步骤检验近似模型 依据数理统计的相关知识,基于均匀设计另取样本点对模型进行检验,如果模型精度满足对应指标则可用于接下来的工作,若不满足则需要重新构建直到满足要求为止 基于均匀试验设计的样本点选取采用均匀试验设计方法,在设计空间内选取 个样本点进行C F D数值计算选取的部分样本点分布见图 由图可知:样本点的分布较为均匀图尾部参数部分样本点分布 B P神经网络建模采用B P神 经 网 络 近 似 模 型,激 活 函 数 为S i g m i d 基于均匀实验设计方法另取 个样本点进行C F D数值计算,验证近似模型的精度,测试点的误差见图采用均方根误差(r e l a t i v er o o tm e a ns q u a r ee r r o r,RM S E)和平均绝对百分比误差(m e a na b s o l u t ep e r c e n t a g ee r r o r,MA P E)来进一步验证近似模型精度,两种指标越小则说明构建的近似模型精度越高表为两种近似模型精度指标的计算结果R MS EN(yiyi)()M A P ENNiyiyiyi ()武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷图总阻力近似模型精度检验表两种近似模型精度指标的计算结果近似模型RMS EMA P E/尾部参数总阻力近似模型 尾部参数Wf近似模型 由表可知:总阻力和伴流均匀度的近似模型的预报值和C F D计算值的误差较小,且趋势基本一致;RMS E和MA P E的值较为理想,说明本文构建的总阻力和伴流均匀度的近似模型精度较高,可以用于敏感度分析敏感度分析 S o b o l 方法S o b o l 方法是一种基于方差的敏感度分析方法主要通过方差分解将模型输出的方差分解为各个输入变量和输入变量交互项构成的条件方差之和,并以条件方差和模型输出方差之比当作敏感度分析指标这些敏感度分析指标主要是任意输入及其组合的敏感度指标的积分,通过蒙特卡罗估计得到该方法不需要假定问题的模型,既能衡量每个输出变量在整个区间范围内的影响,又考虑到输入之间的交互效应S o b o l 方法的敏感度指标(s e n s i t i v i t yi n d e x,S I)为主效应指数(m a i ne f f e c tS I,M S I)和总效应指数(t o t a l e f f e c tS I,T S I)M S I为输入因素xi单独对输出y的影响;T S I为所有因素之间的交互效应及主效应之和 M S I和T S I越大则说明模型中该输入参数对输出的影响越大若M S I占T S I中的绝大部分,那么该参数和其他参数的交互效应较弱,反之则交互效应较强 尾部船型参数对阻力和伴流性能的敏感度分析由均匀试验 设计方法在 设计空间内 选取 个样本,再基于S o b o l s方法进行船型参数对阻力的全局敏感度分析尾型参数对总阻力性能的敏感度见表由表可知:尾轴间距比b_B对阻力的影响最显著,尾轴肥大度S _S 次之,尾部设计水线丰满度D w l A f t A r e a、中纵剖线丰满度C p c A f t A r e a及尾轴倾斜角R o t对阻力也有一定影响,这五个参数的交互效应较弱隧道扩张比i n s k e g_y/b对总阻力也有一定影响,但是该参数和其他特征数间的交互效应比较大尾轴高度吃水比h_T、尾轴出口纵向位置X s h a f t和平边线切向角F o s D w l L e f t A n g l e对总阻力几乎没有影响表尾部船型参数对总阻力的敏感度船型参数主效应指标总效应指标b_B h/T I n s k e g_y/b C p c A f t A r e a D w l A f t A r e a Y d w l e n d F o s D w l L e f t A n g l e R o t S _S X s h a f t 表为尾型参数对伴流均匀度的敏感度由表可知:尾轴肥大度S _S 对伴流均匀度的影响最显著,尾轴间距比b_B次之,尾轴倾斜度R o t、船尾设计水线肥大度D w l A f t A r e a也对伴流均匀度有一定影响隧道的扩张比C p c A f t A r e a、尾轴高度吃水比h/T、尾轴纵向位置X s h a f t以及平边线切向角F o s D w l L e f t A n g l e对桨盘面伴流均匀度影响极小表尾部参数对伴流均匀度的敏感度船型参数主效应指标总效应指标b_B h/T I n s k e g_y/b C p c A f t A r e a D w l A f t A r e a Y d w l e n d F o s D w l L e f t A n g l e R o t S _S X s h a f t 结论)采用基于B P神经网络的近似模型方法进行双尾船的敏感度分析具有一定的可靠性,提高了敏感度分析的效率第期冯鸿渔,等:双尾船尾型参数对阻力和伴流的敏感度分析)尾轴肥大度和尾轴间距比对总阻力和桨盘面伴流均匀度的影响显著)后期进行阻力和伴流性能的优化时可以不考虑尾轴高度吃水比、隧道扩张比、平边线切向角和尾轴出口纵向位置的影响,实现设计空间的降维参 考 文 献Y E ODJ,Y O ON H K,K I M Y E ON G YU,e ta l O p t i m i z a t i o no fs h i p si ns h a l l o w w a t e rw i t hv i s c o u sf l o wc o m p u t a t i o n sa n ds u r r o g a t em o d e l i n gJ J o u r n a l o f t h eS o c i e t yo fN a v a lA r c h i t e c t so fK o r e a,():O B I S E S ANA,S R I R AMU L A S,HA R R I G AN J P r o b a b i l i s t i cc o n s i d e r a t i o n s i nt h ed a m a g ea n a l y s i so fs h i pc o l l i s i o n sJN u m e r i c a lM e t h o d s f o rR e l i a b i l i t y&S a f e t yA s s e s s m e n t,():D I E ZM,C AMP ANAEF,S T E R NF D e s i g n s p a c ed i m e n s i o n a l i t yr e d u c t i o ni n s h a p e o p t i m i z a t i o n b yK a r h u n e n L o v ee x p a n s i o nJC o m p u t e r M e t h o d si n A p p l i e d M e c h a n i c s&E n g i n e e r i n g,():孙建刚,邓德衡,黄国樑水面船舶操纵性敏感性分析J中国航海,():周佳,唐文勇,张圣坤全垫升气垫船耐波性参数敏感度分 析J上 海 交 通 大 学 学 报,():张恒,詹成胜,刘祖源,等基于船舶阻力性能的船型主尺度参数敏感度分析J船舶工程,():黄宏波船舶设计实用手册(总体分册)M北京:国防工业出版社,刘强基于方差的全局灵敏度分析方法及在船型优化中的应用D武汉:武汉理工大学,董素贞,冯佰威,詹成胜,等基于C F D近似模型的船尾线型多目标综合优化J计算机辅助工程,():CHE NJ,WE IJ,J I AN G WO p t i m i z a t i o no fat w i n s k e gc o n t a i n e rv e s s e l b yp a r a m e t r i cd e s i g na n dC F Ds i m u l a t i o n sJ I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fN a v a lA r c h i t e c t u r ea n d O c e a nE n g i n e e r i n g,():S O B O L IMG l o b a ls e n s i t i v i t yi n d i c e sf o rn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dt h e i rm o n t ec a r l oe s t i m a t e sJM a t h e m a t i c sa n dC o m p u t e r si nS i m u l a t i o n,():S e n s i t i v i t yA n a l y s i so fP a r a m e t e r so fT w i n s k e gS h i psS t e r no nR e s i s t a n c ea n dW a k eF E N GH o n g y u)WA N GJ i a n g)F E N GB a i w e i)(S c h o o l o fN a v a lA r c h i t e c r t u r e,O c e a na n dE n e r g yP o w e rE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)(C h i n aS h i pD e v e l o p m e n ta n dD e s i g nC e n t e r,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nS o b o lm e t h o d,t h e s e n s i t i v i t yo f s t e r np a r a m e t e r s o f t w i n s t e r n t od r a gp e r f o r m a n c ea n dw a k eq u a l i t yw a ss t u d i e d T a k i n gat w i n s t e r n m L P Gc a r r i e ra st h er e s e a r c ho b j e c t,t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dt h e i rv a r i a t i o nr a n g e sw e r ed e t e r m i n e db a s e do nt h ep a r a m e t r i cm o d e l C F Dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o no fd r a ga n dw a k eu n i f o r m i t yo fp r o p e l l e rd i s kw a sc a r r i e do u t,a n da na p p r o x i m a t em o d e lw a sc o n s t r u c t e df o rs e n s i t i v i t ya n a l y s i s,a n dt h ed e s i g np a r a m e t e r sw i t hs i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nd r a gp e r f o r m a n c ea n dw a k eu n i f o r m i t yo fp r o p e l l e rd i s kw e r eo b t a i n e d K e yw o r d s:a p p r o x i m a t em o d e l;s e n s i t i v i t ya n a l y s i s;w a k e;r e s i s t a n c e武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷