考虑跨洋特征及碎冰对快速性影响的极地探险邮轮型线优化.pdf

本文网址：http:/www.ship- J.中国舰船研究,2024,19(2):6270.LIU J J,WU H Y,YU L.Hull form optimization of polar expedition cruise ship considering transoceanic characteristicsand brash ice effect on resistance and propulsionJ.Chinese Journal of Ship Research,2024,19(2):6270(in Chinese).考虑跨洋特征及碎冰对快速性影响的极地探险邮轮型线优化扫码阅读全文刘经京，吴海燕，余龙*上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240摘 要:目的目的全球减碳背景下，为应对极地船舶设计建造的环保要求，需开展跨洋航行时碎冰水域对极地探险邮轮船体型线优化设计的影响规律研究，以获得最佳节能型线。方法方法针对极地探险邮轮的跨洋航行特征，采用航区权重方法进行量化评估，分析碎冰对阻力和推进效率的影响。应用计算流体力学耦合离散元法（CFD-DEM）来分析螺旋桨的碎冰水域性能，建立以联合自航功率为目标的优化模型，进而对全船参数化模型开展设计航速下的优化计算。结果结果计算结果表明，优化后的船型可以满足排水量要求，有效降低了 2 种水域下的航行功率，其联合自航功率降低了 9.71%。结论结论研究成果验证了基于权重优化方法的可行性和合理性，可为极地探险邮轮的型线和推进器优化设计提供参考。关键词：极地探险邮轮；型线优化；权重法；计算流体力学耦合离散元法中图分类号:U662.2；U674.81文献标志码:ADOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03216 Hull form optimization of polar expedition cruise ship considering transoceaniccharacteristics and brash ice effect on resistance and propulsionLIU Jingjing,WU Haiyan,YU Long*School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,ChinaAbstract:ObjectivesIn the context of global carbon reduction,in order to meet the environmental require-ments of the design and construction of polar ships,this paper studies the impact of brash ice on the optimaldesign of polar expedition cruise ships when navigating across oceans and designs the most optimal energy-saving hull lines.MethodsIn view of the transoceanic characteristics of polar expedition cruise ships,thenavigation region-based weighting method is used to quantify the evaluation and analyze the impact of brashice on resistance and propulsion efficiency.An analysis is carried out of the performance of the propeller inbroken ice channel through the coupling calculation of the computational fluid dynamics-discrete elementmethod(CFD-DEM),an optimization model with the goal of combined self-propulsion power is established,and optimization calculations are performed for the parametric model of the whole ship at the designedspeed.ResultsThe calculation results show that the optimized ship hull meets the requirements of dis-placement and effectively reduces navigation power in open water and broken ice channel with a combinedself-propulsion power reduction of 9.71%.ConclusionsThe results of this study verify the feasibility andrationality of optimization based on the weighting method,and can provide references for the optimizationdesign of hull form and thrusters of polar expedition cruise ships.Key words:polar expedition cruise ship；optimization design of hull form；weighting method；computa-tional fluid dynamics-discrete element method(CFD-DEM)收稿日期:20221216 修回日期:20230427 网络首发时间:20230619 10:57基金项目:工业和信息化部高技术船舶科研资助项目（MC-201917-C09，MC-201918-C10）作者简介:刘经京，男，1995 年生，博士生。研究方向：船体型线优化。Email：吴海燕，女，2000 年生，硕士生。研究方向：螺旋桨数值计算。Email：余龙，男，1976 年生，博士，副教授。研究方向：船舶与海洋工程特种装备设计。Email：*通信作者:余龙 第 19 卷 第 2 期中 国 舰 船 研 究Vol.19 No.22024 年 4 月Chinese Journal of Ship ResearchApr.20240 引言随着全球经济的快速发展和生活水平的不断提高，各种各样的生态旅游方式层出不穷。近年来，受独一无二的自然景观和生态系统所吸引，以极地探险邮轮为载具的极地旅游活动日趋热门，其旅游人数已连续多年保持较高的增速1。极地旅游市场的潜力巨大，很有可能成为未来经济增长的新亮点。为了保护人类的最后净土及实现巴黎气候协定（2015）提出的 2050 年温室气体排放下降 50%的目标，极地邮轮低碳设计成为了各国船舶建造产业的主要竞争点。通过优化船舶外形以降低船舶推进能耗，无疑是实现船舶节能减排的有效方式。极地邮轮作为新兴船舶，无论是运营模式还是设施设备均与以运输为主要目的的传统船舶有所不同，故针对探邮轮等极地航行船舶的特点而专门建立一套船型优化设计方法，无疑具有巨大的应用前景。目前，国内外研究人员开展了一系列关于极地船舶船型优化新方法的研究。刘瀛昊等2基于 Max-surf 软件对某破冰船进行型线优化，再选用 DNV-GL 规范中的经验公式估算了该船型对应的推进功率，并基于 Holtrop 法建立了该船的快速性功率曲线。王志鹏等3采用近似技术建立了某极地油船开敞水域阻力的近似模型，并采用多岛遗传算法（MIGA）优化了船型参数，最后采用颗粒平行黏接模型对优化后的船型进行了破冰阻力计算，验证了优化后船型破冰性能和破冰阻力的改善效果。段菲等4基于多目标 NSGA 优化算法对某极地穿梭油轮的 3 种艏部形式进行了优化。上述研究为极地航行船舶的型线优化提供了清晰的研究思路和较好的借鉴意义，然而，这些研究忽略了一些特殊极地船舶（例如极地探险邮轮）的跨洋航行特征，即根据不同的旅游目的地，其路线既需跨越开阔水域，还需跨越冰冻的海洋空间。在开阔水域和冰区航行的船舶阻力存在明显区别，因此，在优化设计中应兼顾考虑静水阻力和冰阻力。除此之外，大多数极地船舶船体型线优化研究中并没有考虑碎冰对螺旋桨的影响，实际上，碎冰的存在将明显干扰船体尾部流场，进而降低船舶航行过程中的推进性能。为此，本文拟基于综合评分法建立兼顾冰区和开阔水域航行的极地探险邮轮船体型线优化模型。首先，通过分析极地邮轮运营航线和南极冰区季节分布，确定优化指标的权重比；然后，将基于计算流体力学耦合离散元法（computational fluiddynamics-discrete element method，CFD-DEM）分析配套螺旋桨在碎冰水域的推进性能，并通过插值计算的自航点来确定优化总目标；最后，通过低差异序列采样（Sobol）和梯度搜索（T-Search）联合寻优算法来配合全参数化模型，以完成船型的快速筛选，从而快速得到性能优良的目标船型。1 船体型线优化的基本原理 1.1 优化设计流程船体型线优化设计是一个非常复杂的非线性寻优过程，其目标函数一般具有多峰的特性，这类问题的处理涉及多个学科知识之间的融合，需将仿真工具和优化算法等整合到一个环境中，即基于仿真的设计（simulation based design，SBD）。根据极地探险邮轮的跨洋航行特征，建立一个多步骤的考虑航区权重和碎冰作用的极地探险邮轮船体型线优化程序（图 1）：首先，将优化目标的计算分为两个部分，包括开阔水域（open water）和碎冰水域（broken ice channel）的自航功率计算；然后，通过收集和分析现有探险邮轮的典型航行路线，以获得船舶航行时开阔水域和碎冰水域航区的路程比值作为权重，并将二者结合；最后，通过 Sobol和 T-Search 联合算法进行参数变换以修改船体参数化模型，进而搜索最优船体型线。1.2 航区权重与常规船型不同，极地探险邮轮在航行过程中将经过开阔水域以及碎冰水域，因此，在确定优化目标时需同时考虑静水航行功率和碎冰航行功率 2 个目标。多目标优化算法的最终结果是一个帕累托最优（Pareto optimality）集，无法得到一个最优解，只能依赖设计者的经验从中选择一个相对较优解。而综合评分法5提供了一种可以兼顾多指标计算最终优化目标的方法，即把各个指标按照一定规则（例如重要程度）乘以适当系数作为分数，从而将多指标的情况转化为一个总分指标。采用综合评分法处理多指标评价问题的关键在于如何恰当地确定各个指标的权重，在数学理论上没有通用公式，所以需针对具体问题来具体分析并辅以丰富的实践经验进行判断。本文的2 个指标分别是静水航行功率和碎冰航行功率，其性质类似且单位相同，因此可以选取极地探险邮轮所经营航线中处于开阔水域的航程和处于碎冰区的航程之比作为权重的参考依据。根据现有已统计的南极海冰面积分布图像6，第 2 期刘经京等：考虑跨洋特征及碎冰对快速性影响的极地探险邮轮型线优化63取南半球夏、秋两季冰架线的平均位置作为开阔水域与冰区之间的分界线，如图 2 所示。图中黄色实线为极地探险小型邮轮的经典南极航线，邮轮从乌斯怀亚出发，经过安弗斯岛、阿德莱德岛，最后绕过乔治王岛返航。红色虚线以北地区默认邮轮航向在无冰区，以南地区则默认邮轮航行中将遭遇碎冰，2 段航程的比值为 0.45:0.55。南设得兰群岛图 2南极冰区分界线Fig.2 Antarctic ice boundary 将航程的比值视为极地探险邮轮在开阔水域阻力与碎冰区阻力的比重，则优化目标的定义为Pobj=w1Pow+w2Pice(1)式中：Pobj为联合自航功率；Pow，Pice分别为船舶在开阔水域、碎冰水域的自航功率；w1，w2分别为开阔水域和碎冰水域的航程权重。1.3 自航计算方法为了进一步对比优化前后的船型在静水工况下的航行性能，还需计算目标船舶的自航因子。首先，通过设置桨盘面的尺寸和位置，即可计算在服务航速下桨盘面处的伴流分数；然后，通过雷诺平均方程（Reynolds average Navier-Stokes，RANS）求解器和升力线求解器之间的反复迭代来求解船桨之间的耦合相互作用，从而得出模型船在服务航速下对应的自航点和自航因子；最后，采用ITTC 78/99 规范中推荐的标准方法对阻力和伴流进行修正，最终预报实船的推进效率和有效马力，其完整的计算流程如图 3 所示。1.4 水动力性能评估 1.4.1 开阔水域的计算目前，在船体静水阻力数值计算研究中，大多采用 RANS 求解器来处理船舶周围的全自由表面流动，但在 RANS 方法中引入自由表面边界条件将显著增加计算工作量，并引入远离船体的波浪 开始船体参数化模型Zonal 法螺旋桨几何模型航线调研与分析优化目标权重碎冰阻力静水阻力CFD敞水性能曲线碎冰影响下的性能曲线开阔水域自航功率 Pow碎冰水域自航功率 Pice优化总目标是否满足Sobol 迭代次数？是否收敛？参数变换结束否否是是T-SearchCFD-DEM芬兰瑞典冰级规范13的冰阻力计算公式图 1极地探险邮轮船体型线的优化设计流程Fig.1 Optimization design process of polar expedition cruise lines64中 国 舰 船 研 究第 19 卷数值阻尼。此外，如今船舶初始设计的周期越来越短，往往需在很短的时间内完成大量的备选方案评估。为此，本文选择了 FLOWTECH 公司研发的船舶水动力性能分析软件 Shipflow，该软件提供了一个行之有效的混合解决方案，即 Zonal分区域计算船体阻力的方法（图 1 的 Zonal 法），计算过程如图 4 所示，其中 Zone1 为外部势流区域，其采用基于势流求解器的 XPAN 模块计算船舶兴波阻力；Zone 2 为船体周围边界层区域，其采用基于薄边界层理论的 XBOUND 模块计算船舶摩擦阻力；Zone 3 为船体尾流区域，其采用基于RANS 方程求解器的 XCHAP 模块计算船舶的粘压阻力，可以大幅缩短计算时间7。1.4.2 碎冰区域计算1）船舶碎冰阻力。当船舶在冰区航行时，冰层的断裂和碎冰的运动将对船舶产生作用力，其在纵向上的均值即为冰阻力。与静水阻力计算类似，船舶碎冰阻力的计算方法主要分为 3 种：模型试验或实尺度试验、数值计算方法和经验公式预报方法8。Zone 3RANSEZone 2Boundary layerZone 1Potential flowXPANXBOUNDFore bodyXCHAP-/DMAft bodyCWCF onforebodyCF aftCPVPE,PDS&T图 4分区域计算船舶阻力Fig.4 Calculation of ship resistance by dividing different zones 模型试验或实尺度试验对环境条件的要求非常严苛，且耗费的人力/物力成本较高，故一般仅用于最终验证校核，并不适用于设计阶段。对于数值计算方法，国内外学者开展了大量的研究工作，建立了一系列基于网格单元的有限元模型和基于无网格粒子法的模型，包括离散元模型、近场动力学模型和光滑粒子流体动力学（smoothedparticle hydrodynamic，SPH）模型等9。这些数值计算方法可以通过快速准确地模拟船舶破冰全过程，可真实展示船冰相互作用的物理过程，但同时也存在计算效率低、耗费时间长等缺点。如果选择以上数值计算方法来评估船体型线优化过程中的碎冰阻力，其计算时间成本将无法承受。综合以上考量，最为合适的优化评估手段是经验公式。目前，冰阻力估算研究中常用的经验公式包括 Lindqvist 方 法10、Keinonen 方 法11和 Riska 方法12等，这些经验公式考虑了船体和平整冰的挤压作用，重点关注了船体的破冰能力。然而，极地探险邮轮大多不具备破冰能力，所以本文最终选择了芬兰瑞典冰级规范13中推荐的碎冰阻力 Rice计算公式：Rice=C1+C2+C3C(HF+HM)2(B+CHF)+C4LPARH2F+C5(LTB2)3AwfL(2)式中，相关参数定义参见芬兰瑞典冰级规范第 3.2 节。2）碎冰流作用下的螺旋桨性能曲线。碎冰区航行船舶上推进装置的工作环境较常规船舶存在很大差异，船体排开的碎冰将沿船体表面下浸至船底，并滑入螺旋桨前流场中与艉部的螺旋桨发生相互作用，进而在螺旋桨上产生极端载荷，影响桨的水动力性能，甚至可能引起严重的噪声、振动及空泡问题14。常见的螺旋桨碎冰性能数值计算大多忽略了周围流体的影响，其关注点侧重于螺旋桨在碎冰环境下的应力应变响应和强度性能评估，但这种做法存在明显缺点，其无法分析螺旋桨在冰水混 阻力计算+螺旋桨计算调整螺旋桨转速使桨的推力与船体阻力趋于平衡推力与阻力是否平衡？基于 ITTC 78/99规范修正是否否计算对象是否为模型尺度？是开始自航计算结果输出图 3自航计算流程图Fig.3 Flow chart of self-propulsion calculation第 2 期刘经京等：考虑跨洋特征及碎冰对快速性影响的极地探险邮轮型线优化65合域的水动力性能曲线。螺旋桨的抽吸作用将对碎冰的运动轨迹产生很大的影响，与螺旋桨相撞之前，碎冰不仅存在法向速度还存在周向运动等，这将在很大程度上改变碎冰的运动方向、加速度以及与桨叶的接触位置，最终影响桨叶受到的接触力和螺旋桨水动力性能。随着计算手段的不断发展，部分研究学者提出了采用 CFD-DEM耦合方法分析螺旋桨在冰水混合域中的性能，并取得了较好的结果15。在 CFD-DEM 耦合方法中，流体之间的相互作用由不可压缩流体的连续性方程和动量守恒方程控制16，即(ffu)t+(ffu)=0(3)(ffu)t+(ffuu)=p(f)+ffgF(4)式中：f为流体密度；f为流体在控制体中的体积分数；u 为流体的平均速度；t 为时间；p 为压力的时均值；为流体的应力张量；g 为重力加速度；F 为控制体中冰粒子受到周围流体阻力的体平均值。DEM 粒子之间的接触力公式则将选择基于赫兹明德林接触理论17的非线性弹簧阻尼器模型，如图 5 所示，弹簧仅考虑响应的弹性部分，其产生排斥力将颗粒推开，而阻尼器则表示黏性阻尼以考虑碰撞期间的能量耗散；并行的线性弹簧阻尼器模型表示法向力，而采用滑块串联的并行线性弹簧阻尼器则表示力的切向（相对于接触平面的法向矢量）。入射方向法向接触力切向接触力图 5DEM 粒子接触模型Fig.5 DEM particles contact model 粒子之间的接触力 Fcontact为Fcontact=Fn+Ft(5)法向接触力 Fn为Fn=KndnNnvn(6)切向接触力 Ft为Ft=KtdtNtvt,|Ktdt|Kndn|Cfs(7)式中：下标 n 和 t 分别表示接触的法向方向和切向方向；K 为弹簧刚度；d 为接触点处重叠；N 为阻尼；v 为接触点处球体的表面速度；Cfs为粒子之间的摩擦系数。流体和粒子之间的作用主要包括流场对粒子的阻力 Fd、附加质量力 Fa、压力梯度力 Fp，其中阻力项可通过阻力系数公式 18予以求解：Fd=12CdfAp|vs|vs(8)式中：Cd为粒子阻力系数；Ap为复合粒子的表面积；vs为粒子滑移速度。附加质量力和压力梯度力分别为Fa=12CafVp(ut+u(u)dvpdt)(9)Fp=Vppstatic(10)pstatic式中：Ca为球型粒子的附加质量系数；Vp为粒子的体积；vp为粒子的绝对速度；为连续相的静压力梯度。1.5 优化算法对于船体型线优化这类变量较多的优化问题，优化搜索算法的选择至关重要。为了避免在搜索中陷入局部最优解并保证计算效率，本文采用了一种 Sobol 采样与 T-Search 梯度搜索混合的优化算法19。前者使用实验设计（design of experi-ment，DOE）程序来分析设计空间并探寻确定性优化的合理起点20，从而有效收集优化问题中整个设计空间的信息；同时，为了提高解搜索的效率，可基于选定的起点引入 T-Search 算法21，其可快速找到受任意非线性约束的多变量函数的局部最小值，具有在允许区域内高效搜索操作、允许基点的小扰动，以及可在切线超空间中灵活探索方向等优点。T-Search 算法的原理为：首先从基点沿着可变轴进行探索性移动，然后在成功探索性移动中发现的下降搜索方向上进行全局移动；如果接近约束边界，则返回至最后一个允许点，并沿着与活动约束相切的超平面执行单向优化，从而将搜索保持在可行域中或将其带回可行域。2 极地探险邮轮的型线优化实例 2.1 船体参数化模型船体型线优化工作的重难点之一是建立船体66中 国 舰 船 研 究第 19 卷三维模型并实现基于给定参数的船体外形变换和重构，本文将采用参数化建模软件 CAESES 来完成目标船体的曲面参数化建模，其主尺度和基本参数如表 1 所示。CAESES 建模的基本原理和流程如图 6 所示：首先，提取可以表述船体外型主要特征的相关参数，例如船体垂线间长、型宽、吃水、型深等，并确定船体外型中的重要特征曲线，例如平边线、平底线、甲板边线、中纵剖线、舭部丰满度曲线等；然后，基于所创建的控制船体型线的特征参数和特征曲线输入(Input)，即可编写特征函数来定义船体中横剖面的曲线特征，编译完成的特征函数将以特征参数和特征曲线作为输入的自变量，并通过曲线引擎（Curve engine）驱动生成各站的横剖面特征；最后，通过面元功能（Meta surface）即可生成指定区域的参数化船体曲面（图 7），其中：Dwl_angle，Deck_angle，Bot-tom_angle 分别表示水线角、甲板角、船底角；Fore_Surface14 表示船首的 4 个曲面。在建模过程中，可以通过调整功能参数，从而使最终创建的船体曲面满足光顺性要求。表 1 极地探险邮轮的主要参数Table 1 Main parameters of polar expedition cruise ship参数数值船体垂线间长L/m104.4型宽B/m18.4型深（干舷甲板以下）/m7.25设计吃水ddeisgn/m5.1开阔水域服务航速/kn14冰区服务航速/kn5 定义特征参数Feature函数CurveMeta各站横剖面特征曲面构建定义特征曲线Inputenginesurface图 6CAESES 软件参数化建模流程Fig.6 Parametric modeling process of CAESES Fore_SurfacelFore_Surface2Fore_Surface3Fore_Surface4DeckDwlFobBottom_angleDeck_angleFosDwl_angle图 7特征曲线和船体曲面的生成Fig.7 Generation of characteristic curve and hull surface完整的船体全参模型如图 8 所示。鉴于冰阻力公式中的绝大部分参数均与船体水线和 1/4 半宽纵剖线有关，故选择优化变量时着重关注了这2 条特征线上的点，即图 8 中的红色特征点，其几何含义如表 2 所示。本文选择了船舶主尺度和冰阻力相关特征点的坐标作为优化设计变量，其初始值和变化范围如表 3 所示。需注意的是，修改光滑度和丰满度时应保证在其变化范围内的船体特征曲线不发生过分扭曲。其中，平行中体长度、船长变化和船宽变化等主尺度相关变量的变化范围应尽量控制在 10%以内，而船体在优化变形过程中排水量的变化应始终保证在 5%以下。Intersection_P1Intersection_P2Fos_end_p Deck_pDwl_pDwlCpcDecklineFosxFobz图 8邮轮参数化模型和冰阻力相关特征点Fig.8 Parametric model of the cruise ship and characteristic pointsrelated to ice resistance 表 2 特征线与特征点Table 2 Characteristic lines and points符号含义Fob平底线Fos平边线Dwl设计水线Deckline甲板边线Cpc中纵剖线Intersection_P1设计水线与平边线的交点Intersection_P2设计水线与平边线的交点Fos_end_p平边线末端点Dwl_p设计水线与#95肋骨的交点Deck_p甲板边线与#95肋骨的交点Stern_p控制艉部轮廓丰满度Bilge_p控制舭部轮廓丰满度 表 3 设计变量的初始值及范围Table 3 Design-variable initial values and ranges控制变量表示符号初始值变化范围甲板边线光滑度/()Deck_p.tan1315.906,10.047 设计水线光滑度/()Dwl_p.tan1619.875,12.063 甲板边线丰满度/mDeck_p.y6.3 4.972,7.758 设计水线丰满度/mDwl_p.y5.25 4.512,5.977 平行中体长度/mFos_end_p.x55 50.156,59.922 船长变化/mL09.688,9.844 船宽变化/mB00.984,0.984 第 2 期刘经京等：考虑跨洋特征及碎冰对快速性影响的极地探险邮轮型线优化672.2 螺旋桨性能计算分析在优化设计阶段需考虑碎冰碰撞螺旋桨时的性能，故本文建立了 CFD-DEM 模型来评估冰级螺旋桨的性能曲线，所选用 P1489R 冰级螺旋桨的几何参数如表4 所示。在计算过程中，采用0.01 m直径粒子来模拟海冰，喷射口的注入粒子流率为3 200 粒/s，入射速度与螺旋桨的推进速度相匹配。图 9 所示为喷射口设置及粒子生成过程，其中冰粒子和螺旋桨相互作用时的力学特性及接触系数参考了文献 15 的数据。表 4 P1489R 冰级螺旋桨的几何参数Table 4 Geometric parameters of P1489R ice-class propeller主尺度数值螺旋桨直径/m3.190.75半径处的螺距比0.9盘面比0.6桨叶数4 2.031 42.025 12.018 82.012 62.006 32.000 05.896 64.723 33.549 92.376 61.203 20.029 904(a)喷射器设置(b)DEM 碎冰粒子粒子速度/(ms1)粒子速度/(ms1)图 9基于 DEM 方法的螺旋桨碎冰性能计算Fig.9 Calculation of icebreaking performance of the propellerbased on DEM method 图 10 所示为冰级螺旋桨在不同环境中的性能差异，其中 KT，KQ，分别表示螺旋桨的推力系数、扭矩系数和效率；下标包含_ow 的项表示螺旋桨在开放水域的性能，下标包含_ice 的项表示螺旋桨在碎冰水域的性能。从图中可以看出，在开放水域进速系数 Jow 与碎冰区进速系数 Jice相同的情况下，碎冰的存在将增加螺旋桨的推力系数KT和扭矩系数 KQ，但会降低螺旋桨的工作效率。1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1000.10.20.30.40.50.60.70.8进速系数 J_ow_iceKT_owKT_owKT_ice10 KQ_ow10 KQ_iceKT,10 KQ,图 10冰级螺旋桨敞水性能与碎冰性能对比Fig.10 Comparison of open water performance and brash ice per-formance of ice-class propeller 3 优化结果及分析图 11 和图 12 所示为优化前后船体横剖线（船首）和纵剖线的变化对比结果，可以看出，优化后的船体变得更为瘦削，船长的增加令 0.25 倍船宽的水线角更小，且 0.25 倍船宽纵剖线的上升段更为平缓，这对静水阻力和冰阻力的性能改善大有益处。图 13 和图 14 所示为 Shipflow 软件得出的设计吃水和航速下的波形图和波切图。表 5所示为母型船与优化船型的船体阻力、主尺度、自航点工作状态等对比结果。表中：S 为船体的湿表面积；Cf，Cr，Ct分别为船体摩擦阻力系数、兴波阻力系数和总阻力系数；Rf，Rr分别为船体摩擦阻力和兴波阻力；Row，Rice分别为船体在开阔水域和碎冰水域航行的总阻力。虽然船长的 母型船型线优化型线图 11横剖线对比Fig.11 Cross section comparison 母型船型线平边线0.25B 纵剖线 中纵剖线优化型线图 12纵剖线对比Fig.12 Buttock line comparison68中 国 舰 船 研 究第 19 卷增加将增大船体的湿表面积 S，但船体变得更加修长后，船舶进流将更加平缓，这将有助于减小船体摩擦阻力系数 Cf；优化之后，船首兴波位置更加靠前，船首压力点兴波的高度大幅降低，这有利于减小船舶首尾的压差，进而显著降低船体剩余阻力系数 Cr。由表 5 可知，优化后的静水总阻力 Row和碎冰总阻力 Rice分别较优化前降低了 6.70%和 10.57%，即碎冰阻力的性能改善效果更突出。虽然优化后的船体静水自航点出现了右移（即进速系数增加），且螺旋桨敞水工作效率略有下降，但阻力性能的明显改善仍然可以减小静水自航功率 Pow，其优化幅度为 4.92%。在优化之后，船体碎冰区的自航点也出现了右移，螺旋桨碎冰水域的工作效率 _ice提升了 3.66%，碎冰区自航功率 Pice较优化前降低了 13.71%，最终由航区权重加权得出的联合自航功率 Pobj降低了 9.71%。此外，从计算结果可以看出，母型船配置的螺旋桨主要是针对开阔水域自航工况而设计，所以当极地探险邮轮处于碎冰区慢速航行（5 kn）时，螺旋桨的工作进速系数 Jice偏低，工作效率 _ice亦偏低。因此，在未来邮轮设计中，对于运营航线大部分出于碎冰水域的极地探险邮轮，可适当匹配最大效率对应更低进速系数的螺旋桨，以提高目标船舶的推进效率。4 结论为保护极地环境并实现减排要求，对极地船舶设计建造的环保标准日趋严苛。极地探险邮轮具有跨洋航行的特征，其在开阔水域和碎冰区航行时的航速有所不同，碎冰不仅将影响船舶的阻力性能，还将影响推进性能。根据目标船型的特点，本文采用 CFD-DEM 耦合方法，完成了基于快速性的某极地探险邮轮的型线优化工作，获得了最小能耗的船体型线。具体结论如下：1）本文提出了一种新的极地航行船舶船体型线设计思路，即考虑船舶跨洋航行特征，通过提取航线中不同航区航程的比值作为优化目标权重，将两类功率进行结合作为最终目标进行优 表 5 优化后的阻力和自航功率对比Table 5 Comparison of resistance and self-propulsion powerafter optimization参数母型船优化船型优化百分比/%S/m22 1102 1210.52Cf1.6221031.6071030.92Cr0.6021030.45510324.42Ct2.2241032.0621037.28Rf/N0.9111050.9071050.44Rr/N0.3381050.25710523.96Row/N1.2481051.1641056.73Rice/N2.6861052.40210510.57L/m104.0112.48.08B/m18.416.79.24Jow0.7050.7120.99Jice0.4210.4373.80_ow0.6020.5901.99_ice0.4650.4823.66Pow/kW1 3631 2964.92Pice/kW1 3571 17113.71Pobj/kW1 3591 2279.71 波高/myxyx(a)优化前0.0050.0040.0030.0030.0020.0010.00100.0010.0010.0020.0030.0030.0040.0050.0050.0060.0070.0080.0080.009波高/m(b)优化后0.0040.0030.0030.0020.0020.0010.0010.0010.0020.0020.0030.0040.0040.0050.0050.0060.0060.0070.0070图 13自由表面波形图Fig.13 Wave height diagram of free surface 1.00.80.60.40.200.20.40.650050100150200与船艏柱之间的距离/m波高/m母型船船型优化船线图 14波切图Fig.14 Wave diagram第 2 期刘经京等：考虑跨洋特征及碎冰对快速性影响的极地探险邮轮型线优化69化，研究结果表明，优化后的船体变得更为细长，其在开阔水域和碎冰水域的航行功率均不同程度地实现了优化，并验证了该方法的可行性和合理性。2）在型线优化中应考虑浮冰对船体阻力和螺旋桨推进效率的影响，通过 CFD-DEM 方法即可获得冰级螺旋桨在冰水混合域中的性能。虽然碎冰的存在增加了螺旋桨的推力系数和扭矩系数，但仍可减小螺旋桨的工作效率。3）从优化前后的自航结果可以看出，母型船匹配的螺旋桨更适合开阔水域工况，对于碎冰水域则工作效率较低，因此螺旋桨与碎冰水域的匹配设计可作为后续优化工作的方向。本文的研究成果不仅可为极地探险邮轮的型线和推进器设计优化提供参考，还可推广至其他极地航行船舶的设计，用于全面评估碎冰的影响，进而实现低能耗的最佳设计方案，以保护极地环境。参考文献：刘臣,郭歆.极地探险邮轮市场分析与船型发展趋势J.船舶工程,2021,43(7):1120.LIU C,GUO X.Polar expedition cruise market analysisand ship shape development trendJ.Ship Engineering,2021,43(7):1120(in Chinese).1刘瀛昊,佟福山,高良田.极地破冰船的快速性优化设计 J.计算机仿真,2016,33(11):405409.LIU Y H,TONG F S,GAO L T.The 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