（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）lng运输船总体设计与型线优化研究.pdf

摘要 l n g 运船输是高附加值民用船舶，中国造船业对l n g 的设计、建造正处于探索研 究阶段。本文对l n g 运输船的历史沿革及发展前景进行了分析，根据搜集到的实船资 料，利用线性回归分析方法对l n g 运船输的主尺度进行预报分析，分析了其总布置特 征，以及目前世界流行的典型液货舱结构形式，l n g 运输船特殊的防火要求。 本文对l n g 运输船阻力成分的确定划分为势流区、薄边界层区和湍流区。在势流 区，使用基于d a w s o n 方法的二阶面元法计算流体速度势，采用r a n k i n e 源，通过迭代 方法能精确满足自由面边界条件，并进行非线性自由边界条件的求解；在薄边界层区域， 使用边界层方法计算船体前部及中部的边界层。该方法基于积分法，使用势流压力分布 作为输入参数，计算从驻点开始，此时先计算层流再计算过渡：船体尾部的湍流区域， 使用平均雷诺方程，在泊松方程生成的贴体坐标系中求解，同时，流动方程也完全变换 到该坐标系，用有限分析法及s i m p l e 算法处理速度压力耦合，使用壁函数及二方程 茁一s 湍流模型，其边界条件应用边界层和势流的计算结果。 应用基于阻力性能的船型优化，对给定的母型l n g 运输船的型线进行优化设计， 对其球首采用四因素三水平的正交化处理得到互相独立的9 种方案，经过计算分析兴波 阻力，得出基于兴波阻力性能的最优化船型。 基于阻力最小为目标对船舶线型进行优化，摩擦阻力主要与船舶湿表面积有关，进 行线型改进的余度并不大，因此研究的重点是如何改进线型减少剩余阻力。从流场分析 的角度看，就是要使改进后的船型波高减少，沿船体的表面压力分布均匀，使流线分离 延后。 关键词：l n g ；总体设计；回归分析；兴波阻力；粘性；球首；型线优化 a b s t r a c t l n gc a r r i e ri st h eh i g h v a l u e dc i v i ls h i p ，c h i n as h i p b u i l d i n gi n d u s t r yi sn o w e x p l o r i n g t or e s e a r c ha n dd e s i g nl n gc a r r i e r 。i nt h i st h e s i s ，t h ee v o l u t i o na n dd e v e l o p m e m f o r e g r o u n d o ft h el n gc a r r i e ra r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e a ls h i pd o c u m e n t ，u s i n g r e g r e s s i o n m e t h o dt o a n a l y z e t h e p f i n c i p l e d i m e n s i o n so ft h el n gc a r r i e r g e n e r a l a r r a n g e m e n t ，t y p i c a l l ys t r u c t u r a lg a sc a r g ot a n ka n ds p e c i a lf i r e p r o o f m gr e q u i r e m e n to ft h e l n gc a r r i e ra r ea n a l y z e di nd e t a i l t h er e s i s t a n c eo ft h el n gc a r r i e ri sd i v i d e di n t ot h r e ea r e a s ：i nt h ef i r s tp o t e n t i a lf l o w a r e a ，c a l c u l a t et h el i q u i dv e l o c 幻p o t e n t i a li nt h ew a yo fs e c o n ds t e p sp a n e lm e t h o db a s e da s d a w s o nm e t h o d ，a sr a n k i n es o u r s e ，s a t i s f i e dw i t hf r e es u r f a c eb o u n d a r yc o n d i t i o nt h r o u g h i t e r a t i o nm e t h o d ；i nt h es e c o n dt h i nb o u n d a r y l a y e ra r e a c o m p u t et h em i d d l ea n dt h ef o r ep a r t o ft h es h i pb o u n d a r yl a y e ra sb o u n d a r yl a y e rm e t h o d ，f r o mt h e s t a g n a t i o np o i n tu s i n gt h e i m e g r a lm e t h o dt oi a m i n a rf l o wa n dt h e nt h et r a n s i t i o n ；i nt h et h i r dt u r b u l e n c ea j r e a t h e c a l c u l a t i o no ft h ev i s c o u sr e s i s t a n c ei su s e dr e n a u l t a v e r a g en a v i e r s t o k e s ( r a n s ) e q u a t i o n a st w oe q u a t i o n sk 一占t u r b u l e n c em o d e ji nt h ef o l l o w i n gs h i pc o o r d i n a t es y s t e ma n di t s b o u n d a r yc o n d i t i o nd e p e n d s o i lt h er e s u l t sc a l c u l a t e d b y t h eb o u n d a r y l a y e ra n dp o t e n t i a lf l o w ， u s i n gf i n i t ea n a l y z em e t h o do rs i m p l em e t h o dt ot r e a tt h ec o u p l i n gb e t w e e nv e l o c i t ya n d p r e s s u r e t h em o l d e dl i n eo p t i m i z a t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e d0 i 1t h er e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ， u s i n gu p r i g h td e s i g nm e t h o dt oo p t i m i z et h eb u l bb o wo ft h ef a t h e rl n gc a r r i e rt og e tn i n e d i f f e r e n ts c h e m e s ，a n dc a l c u l a t et h e i rw a v e r e s i s t a n c e ，f r i c t i o n r e s i s t a n c ea n dv i s c o u s r e s i s t a n c e 。a f t e rc o m p a r i s o n , i tc a l lb eg o tt h eo p t i m i z a t i o n s h i pt y p e k e yw o r d s ：l n g ；g e n e r a ld e s i g n ；r e g r e s s i o na n a l y s i s ；w a v er e s i s t a n c e ；v i s c o u s b u l bb o w ；l i n e s o p t i m i z a t i o n i i l n g 运输船总体设计与型线优化研究 l 导论 1 1 液化天然气运输船的市场前景 1 1 1l n g 运输船的沿革呻】 天然气是一种储量丰富的清洁的碳氢化合物燃料，已成为近年世界上增长 速度最快的矿物燃料。将天然气从产地运往市场的方法有两种：一是用长距离 输气管道将天然气送往用户，但管道长度在1 6 5 0 3 3 0 0 公里范围内才有经济效 益；另一种方法是将天然气在一1 6 0 的低温下使其变成液态，成为l n g ，然后， 用船将l n g 运往使用地区，为此，需在使用地区建设接收终端，将l n g 再度 气化使其重返气体状态，然后通过管道将气态的天然气送往发电厂和其他用户。 用这种方法可将天然气产地与遥远的市场连接起来。 l n g 从六十年代开始商业化，至今已有三十多年的历史，是当今世界能源 供应中成长速度最快的部门。预期今后十年内l n g 的年增长速度为7 ，大约 为全球天然气增长速度的两倍，为原油增长速度的3 倍。到2 0 1 0 年，全球l n g 市场规模可能为当前规模的两倍。当前，世界上开采出来天然气有2 0 以国际 贸易的形式坡销售。这2 0 的国际贸易天然气中的7 5 是用管道进行输送，以 l n g 形式的2 5 是用船只进行运输。1 9 5 9 年，m a t h a n ep r o n e e r 号进行了世界 上第一次液化天然气海上运输，这是从l a k ec h a r l e s 向c a n v e y 岛基地运送5 0 0 0 m ，的液化天然气，对确定l n g 的海上安全运输方法做出了贡献。 商业上的液化天然气运输于1 9 6 4 年由m a t h a n ep r o n e e r 号和m a t h a n e p r o g r e s s 号开始，两船航行于阿尔及尔和c a n v e y 岛之间。总运输最达到2 2 ，0 0 0 m 3 ，航次超过9 0 0 次j u l e sv e v n e 号于1 9 6 5 年开始在阿尔及利亚和l e l t a y v e ( 法) 之间运送液化天然气。 1 9 6 9 年，有两条7 1 ，5 0 0m 3 型l n g 运输船在阿拉斯加和日本间航行。其后 不久，4 条4 0 。0 0 0 m 3 型l n g 运输船航行于利比亚与西班牙之间。 1 9 6 5 年至1 9 7 0 年间，确立了占主流的四种l n g 罐的结构方式技术，即 t e c h n i g a s 、g a z - t r a n s p o r t 隔板式罐、m o s s 和c o a c h 独立型罐这期间，1 2 5 ，0 0 0 m 3 型l n g 运输船也变成一般船型。在7 0 年代订购1 2 0 ，0 0 0 至1 3 3 ，0 0 0n 1 3 型l n g 运输船占压倒多数。虽进行了2 0 0 ，0 0 0m 3 型l n g 运输船的设计。但一般认为， 1 2 5 ，0 0 0m 3 型已成产业界的标准船型。 1 9 9 5 年，世界l n g 的贸易量为7 5 0 0 万吨，较2 0 年前的1 0 0 0 万吨增长了 近7 倍；运输量为1 7 0 0 亿吨海里，较2 0 年前的1 6 0 亿吨海里增长近1 0 倍。完 成这一运输量的船队由9 9 艘船只组成，装运l n g 的出口码头有1 2 个，进口接 收终端有3 9 个。这些船中，1 0 万立方米以上的大型船舶有7 l 艘，5 一l o 万立方 米的有1 5 艘，5 万立方米以下的有1 3 艘。这些船舶大约为1 7 2 0 节，而大型油 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 轮多为1 4 1 6 节。 1 9 9 7 年初，世界上l n g 船队己由1 0 4 艘组成。其中有8 艘新船开始了它们 的首次营运；有4 艘( a r z w 号、g a m m a 号、l n gl a g a s 和南方号) 被储备起来； 营运年份超过2 0 年的有3 4 艘( 2 0 2 4 年有2 5 艘，2 5 。2 9 年有8 艘，3 0 年以上有 1 艘) 。 1 2l n g 运输船发展前景1 3 】 二十一世纪是海洋的世纪，液化天然气作为绿色能源已得到世界各国的重 视，液化天然气的海上运输船的开发与研究正如火如荼的进行，世界l n g 船的 需求将十分旺盛。2 0 0 0 年前，l n g 船队需求总量以每年8 的增长率递增，至 2 0 1 5 年以前，l n g 船队的增长也能达每年5 特别是亚太地区，到2 0 1 5 年，液 化天然气船的海运量至少可达6 ，5 0 0 万吨，相当全球总量的3 4 ，基本是现在 需求量的3 倍之多。作为世界造船大国的中国，我们应该抓住机遇，引进消化 并研究开发先进的l n g 运输船，在世界l n g 船市场中拥有一席之地。 纵观世界l n g 船之发展，其有下列发展趋势： ( 1 ) 船队以1 2 万立方米以上大型l n g 船为绝对主力； ( 2 ) m o s s 球形舱逐渐占居统治地位； ( 3 ) 液舱设计不断改进，主要是改进液舱绝热层结构，增大单舱容积并减 少舱数，以降低热传导，使液化气蒸发率从o 2 5 降至0 1 5 ； ( 4 ) s p b 棱柱形b 型独立舱和薄膜舱的开发成功，将使液化气船型更趋合 理； ( 5 ) l n g 船使用年限趋向延长至3 5 年。 1 2 基于阻力性能的型线优化方法综述 1 2 1 船舶型线变换的理论和方法 传统的船舶型线设计方法主要有两种，即系列船型法和母型变换法。 通常船型系列都是以系列船模试验为基础建立起来的，系列船模则是根据 系列的母型船变化各种参数而派生出来的。系列法是生成船型的一种基本方法， 具有船型生成快速和准确的特点，并能正确地估算出设计船的快速性能。常用 的船型系列有t o d d 6 0 、s s p a 、b s r a 等。 母型船变换法是一种较为古典的船型设计方法。其中最常用的是横剖面移 动法。1 9 5 0 年l a c k e n b y 给出了一系列的横剖面移动变换，并分析了每种变换的 精度及其限制条件。由于母型船变换法适应范围广，并能较好地保持母型船的 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 优良性能，所以在实际设计中应用较多。 利用母型改造法，保持横剖面形状和中剖面系数不变，横剖面面积益线修 改后，利用插值生成型线。以前半体为例，在横剖面面积盐线图上，量出各站 处新船与母型船横剖面面积百分数相同的距离缸，然后在母型船的水线图上距 对应站舐，处量取各水线半宽y 在乘上b 丑。( 型宽线性的比例值) ，即可得到新 船各站半宽型值。 用以上两种方法进行船型设计，其性能预报由船型数据库内插或回一归【7 1 公 式、经验公式计算得到。由于经验公式和回归公式没有( 也不可能) 考虑流动 的物理机理，故其有效性只能在特定的参数变换范围内才能得到保证。同样的 道理，超出数据库范围的外推同样是危险的。所以，如果设计船同母型船有较 大的差异，其性能评定结果的置信度将降低。在创新设计中，设计参数因落在 数据库的范围之外，致使传统方法无法对其作出有意义的性能预报。 1 2 2 粘性阻力的计算研究 粘性阻力主要是由摩擦阻力和粘压阻力组成。对摩擦阻力的估算，是在相当 平板假定下，利用光滑平板摩擦阻力公式计算的。著名的平板阻力公式有：桑 海( s c h o e n h e r r ) 公式，柏兰特一许立订( p r a n d t l s e h l i e h t i n g ) 公式，休斯( h u g h e s ) 公 式，1 9 5 7 年i t t c 公式。这些公式对计算光滑平板自身的摩擦阻力是有效的， 但用于计算船舶摩擦阻力时，由于船体表面弯曲粗糙度等三因次因素的影响， 在理论上有缺陷。对粘压阻力的换算，主要是根据傅汝德( f r o u d e ) 假定或休斯 ( h u g h e s ) 假定进行的。这两个假定在实际工程计算中，基本上能给出满意的结果， 但在理论上缺乏合理性。傅汝德假定把兴波阻力和粘性阻力这两种不同性质的 阻力合并为剩余阻力，并认为符合傅汝德比较定律，这在理论上是不治当的。 休斯假定对阻力划分有一定的合理性，但他提出的粘压阻力系数与摩擦阻力系 数之比为一常数的假定，是否正确有待于进一步论证。对于这些估算方法，由 于雷诺数不同。还会不同程度地存在尺度效应。另外，这些方法的适用范围是 受限制的，对于某些特定船型有很高的准确性，但是其应用仅局限于试验数据 范围内。而且用经验公式估算的粘性阻力值只是一个总体数据，它不可能指出 船体局部形状与粘性阻力的关系，这对设计具有低粘性阻力的船型是不利的。 为了克服经验公式的不合理性，以及为低粘性阻力船型的设计提供依据，有必 要在理论上研究粘性阻力计算。 边界层理论的发展，为粘性阻力的理论计算提出了有力的工具。基于薄层理 论，可以计算摩擦阻力；基于高阶边界层理论，可以计算摩擦阻力和粘压阻力。 通过对薄边晃层理论的计算，可以得到正切于船体的剪应力，对它沿船体表 面积分，便得到摩擦阻力。但是，薄边界层理论不能估算垂直于船体的压力所 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 引起的粘压阻力。然而，通过高阶边界层理论计算，由于考虑曲率和边界层排 挤影响，可以得到垂直于船体表面的粘性压应力，对它沿船体表面积分，便得 到粘压阻力。当然，有高阶理论得到的剪应力沿船体表面积分，同样可得到摩 擦阻力，并能从薄层理论得到的结果更为合理，但实际计算表明，两者差异很 小。 在粘性阻力的计算中，边界层计算一般采用积分法。虽然微分法精度高，需 要的经验数据少，但其计算量大。积分法精度没有微分法高，要求的经验数据 也较多，但计算量少，而且能够满足粘性阻力计算精度的要求。特别是迭代计 算和船型优化计算中，积分法的优越性更加突出。 在计算粘性阻力时，还有一个关键问题，就是如何判断流体分离位置，以及 分离后的流体粘压阻力如何计算。这是较为复杂的问题，至今还没有有效的方 法。目前一般做法，是根据边界层数字计算过程中出现破坏点，就认为发生分 离，并对后体的压力计算作近似处理。 目前，又出现了粘性自由液面流动的计算方法。考虑自由液面r a n s 方法 也有文章论述。与此同时，几种主要的计算技术正在向设计领域转移，r a n s 程序在附体和其他附属构件的设计计算方法已经显示出强大的生命力。本世纪 初随着r a n s 程序不断地向设计领域转移，设计部门将会应用菲定常粘性流动 分析方法，而且通过r a n s 程序与自由表面程序相结合，精确描述自由表面的 粘性流动将成为可能。若如此，船舶的创新设计能力将获得突破性的进展。目 前，国外已有一批c f d 软件可供船舶设计使用，成为船舶c a d 系统的支持软 件。c f d 方法的发展已经逐步成为船体型线优化的基本手段。瑞典的l l a r s s o n 9 1 、美国的f s t e r n m l ，以及荷兰的m h o e k s t r a 川等的研究成果和开发 的计算机程序系统s h i p f l o w 、c f d s h i p 1 0 w a 、p a r n a s s o s 等均已在船舶 设计实践中应用。下面以瑞典国际流动技术公司的s h i p f l o w 为例，简要介绍 其使用的c f d 理论s h i p f l o w 是瑞典的s s p a 和c h a l m e r s 大学长期合作的结 果。领导者是l l a r s s o n 教授。s h i p f l o w 程序采用区域处理方法，将船体流场 分为三个区域。其区域划分及每个区域使用的c f d 方法是： i ) 使用基于d a w s o n 方法的二阶面元法计算势流，但通过叠代方法能精确 地满足自由液面的边界条件使用边界层方法计算船体前部及中部的边界层， 该方法基于积分法，使用势流压力分布作为输入参数。计算既能从驻点开始( 此 时先计算层流再计算过渡流) ，也可以直接从定点开始解湍流方程。 2 ) 溃流区域使用平均雷诺r a n s 方程。在泊松方程生成的贴体坐标系中求 解，流动方程也被完全转换到该坐标系，用有限差分法及s i m p l e 算法处理速 度、压力耦合，使用壁函数及k s 湍流模型，其边界条件来自边界层和势流的 计算结果。 4 l n o 运输船总体设计与型线优化研究 1 2 3 兴波阻力的计算研究 1 2 - 1 7 】 船舶阻力是舰船的基本性能之一。船舶阻力主要由粘性阻力和兴波阻力组 成。其中，对于给定的航速，粘性阻力与船体的湿表面积成比例。而船体湿表 面积随船型的改变变化不大。倘若不采取特殊措施，减小牯性阻力的可能性较 小。相反，在一定的f r o u d e 数范围内，兴波阻力对船型的变化相当敏感，适当 修改船体型线，有可能使兴波阻力明显降低。因此，用理论、试验和计算的方 法探讨兴波的机理、预估实船的兴波阻力，并以此为基础改进船型，一直是船 舶兴波阻力研究的焦点。 理论上研究兴波阻力的历史已超过百年。1 8 8 7 年，k e l v i n 发表了自由面上 移动压力点兴波的重要文章，描绘出船后优美的兴波图案。1 8 9 8 年，m i c h e l l 推 出了著名的兴波阻力公式，把薄船的船型和兴波阻力直接联系起来，成为后来 敷十年间船型优化的出发点。1 9 2 8 年，h a v e l o c k 找到了现在称之为k e l v i n ( 或 h a v e l o c k ) 源的格林函数，奠定了在线型框架下兴波理论的基石。1 9 7 2 年，b r a r d 从格林第三公式出发，发现了围绕船体水线的线积分项，使线性兴波理论更加 严谨。 但是，从实用的角度看，线性兴波理论给出的计算结果和一般船舶的试验曲 线之间有较大的差距，难以为工程界所接受。首先，工程计算要求的精度太高。 船型发展到今天，人们已经积累了大量的经验，开发出了相当优秀的船型，要 从这些优秀船型中经过改进获得收益，在很多情况下，能得到的总阻力减少不 过是5 7 的数量级；在这样的条件下，对计算模型的数值离散的精度要求 的期望值自然很高。另外，兴波阻力是由船体前后合压力之差构成的。如果把 船体从中央分开，前半体所受的合压力向后，后半体所受舍压力向前，这两个 合力都是大量，而兴波阻力则是这两个大量之差，在这种情况下要获得较高的 计算精度，并非易事。再者，前面所说的线性理论主要是指自由面条件的线性 化，而作为线性化基础的流动是均匀来流；满足线性化的前提是船体对于均匀 来流的扰动要小，形象地说，船型要薄、要扁，最好船的首尾是尖的，这样才 有可能获得相对均匀为小的扰动。实际的船，首尾不可能是尖的，而且正是船 舶的首尾对均匀来流的扰动最大，是破坏线性化前提最为严重的地方；同时， 也正是首尾对合压力贡献最大的所在。在这个意义上说，要想从这样的线性理 论得到那么高的精度，实在是困难了。最后，由于当前的船舶兴波理论主要是 不计流体粘性的势流理论，而实际流体存在粘性；当流体微团流到船体尾部的 时候，与势流相比，流速减小，边界层变厚，压力降低，直接影响到兴波阻力 计算值与试验结果间的差异。由此可以预见，对于某些粘性影响严重的船型， 如低速肥大船，再完备的势流模型合计算方案，也很难获得很高的兴波阻力计 算精度。 鉴于以上种种原因，在相当长的时期内，线性理论一直得不到船舶工程界的 认可。1 9 6 0 年前后，东京大学的乾崇夫教授对球首的发现，是一种观念上的突 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 破。首先，造船界熟知的是，船舶首尾波系的干扰是造成兴波阻力系数随f r o u d e 数变化曲线出现峰谷的根源，因此在设计时总是力图调整船长和航速，使它兴 起的波谷与船首造成的波峰相抵消。这是一种“新”的局部兴波干扰和局部船 型优化的概念。其次，乾崇夫依据的仍然是线性的薄船理论，应用线性理论估 计球首的大小和位置，以获得最佳的减阻效果。但是，由于已经知道线性理论 的计算结果并不可靠，所以实际的兴波阻力数值并不依赖线性的薄船理论计算， 而是由试验决定。一个时期以来，利用线性兴波阻力理论进行船型优化成为一 种时尚，极大地促进了船型学的发展。 由于线性兴波阻力已趋完善，也由于计算机的发展提供了新的手段，人们开 始向非线性兴波理论进军。以m i c h e l l h a v l o e k 为代表的线性兴波理论，它的线 性性质表现在两个方面：1 ) 物体是薄的，物面条件在纵中剖面上得到满足，称 为线性的物面条件。2 ) 薄物体反映在兴波上，兴波是小的，自由表面条件中不 含未知量及其导数的平方以上的项，而且在静水面上得到满足，称为线性自由 面条件。去掉第个限制，物面条件准确地在实际的湿表面上得到满足，而自 由面条件仍然是线性的，在静水面上得到满足，b r a r d ( 1 9 7 2 年) 称之为 n e u m a n n - k e l v i n 问题。这种提法在物理上是有矛盾的，比如肥胖船产生的波浪 不一定小，从而无法保证自由面条件的符合线性的要求，所德计算结果也不理 想。可见，关键是在自由面条件中计入非线性因素。在发展过程中曾出现过多 种弱非线性理论，即在一定条件下计入某些非线性项，其中比较有影响的是 g a d d - g i l l o t o n ( 1 9 7 3 年) 方法和d a w s o n ( 1 9 7 7 年) 方法。g a d d g i l l o t o n 方法是原有 薄船理论的推广，更多地考虑了船体厚度的效应；d a w s o n 方法本质上乃是一种 数值方法。 薄船理论的基本流动是等速直线的均匀流动，要求相对于这个均匀流动的扰 动是小羹。与之相反，d a w s o n 方法中的基本流动是船体的叠模绕流，要求相对 这个叠模绕流的扰动是小量。所谓叠模( 又称合模) 绕流，是指把船体水线面作为 固体表面，也就是在没有波浪的情形下，在“下半空间”求解船体( 水线以下) 的绕流问题。按照流体力学的中的影像法，设想在水线面的上面按对称原则倒 放一条船模。和原有的船模一起构成一个叠模，在“整个空间”求解没有自由 面的、流体绕过叠模的流动。这个流动可以准确地满足物面条件，包括船的首 尾。以这个叠模流动为基础，就避免了原来薄船理论中首尾端存在扰动不小的 问题。假设船体兴波相对于叠模绕流是小量，自然要合理些，相应的自由面条 件也可以线性化。作为极限情况，船速为零时，叠模解是准确解。船速较低而 计及兴波时，d a w s o n 方法无疑在理论上是合理的，故称为慢船理论。以叠模绕 流为基本流动是d a w s o n 方法的特点之一。 现在流行的势流兴波计算都是基于边界元法。以均匀流动为基本流动的线性 兴波理论使用的格林函数是所谓移动兴波源( 又称k e l v i n 源或源h a v e l o c k ) ，它 是拉普拉斯方程的一个基本解，满足线性自由面条件和远方条件，形式和计算 都相当复杂。大致说来，只需把这个移动兴波源分布在物体表面上就可以了， l n g 运输船总体设计与型线优化研究 并不需要在所有流场边界上布置源汇。d a w s o n 所用的格林函数是基本解，又称 r a n k i n e 源，就是无限介质中适用的1 r ( v ，g ) ，这是d a w s o n 方法的又一特点。这 个源函数非常简单，它除了是拉普拉斯方程的基本解( 除了场点与源点重合处是 奇点外，到处满足拉普拉斯方程) 之外，不满足任何特定的其他条件如自由面 条件、远方条件、海底条件等。因此，凡是以拉普拉斯方程为控制方程的问题， 不管是定常问题、非定常问题、线性问题或非线性问题都可用它。当今在势流 框架下的兴波问题、物体在波浪中的运动问题，已基本统一在d a w s o n 型算法的 基础上了。 线性d a w s o n 方法的灵活性合取得的成就，再加上计算机速率合存储量的迅 速提高，在1 9 8 6 年前后鼓舞人们迈入新的一步：将d a w s o n 的线性方法加以发 展，用完全非线性的自由面条件去求解兴波阻力问题。后来的事实表明，这是 提高计算精度合使理论更加完备的重大步骤。这个非线性理论必须满足以下条 件：1 ) 自由面条件中应该包括全部非线性项。2 ) 自由面条件设置在真正的自由 面上。3 ) 船体表面条件应该在实际的船体湿表面上满足。4 ) 要考虑航行纵倾和 升沉对兴波阻力的影响。5 ) 要能够处理方尾。 1 2 4 基于阻力性能的船型优化方法私2 2 】 船型优化是船舶设计的传统方法之一，其中包括船体型线优化。船体型线 优化通常可以应用数学方法对型线进行光顺，但是必须以船体的布置、水动力 与结构性能的要求为目标函数。在以船体阻力性能为型线优化对象时，只能在 某些约束条件下完成。所以，实际上船体型线优化是- - s t 综合的权衡的优化方 法。 以往，在船体型线设计的初始阶段大多是应用母型法，并强烈地依赖于设 计经验和型线数据库。船体型线的进一步设计，通常要进行模型试验。模型试验 资料的积累或模型系列试验结果的分析，都可以为船体型线优化设计提供有益 的信息。这些经验的或试验的资料处理主要应用基于最小二乘算法的回归分析 技术。众多的阻力估算与航速预报经验公式和诸如著名的6 0 系列、b s r a 系列 及s s p a 系列等模型试验分析结果，在2 0 世纪6 0 年代前对船舶设计发挥了重要 作用。近4 0 年来，单船建造批量愈来愈小，性能要求愈来愈高，同类船舶更新 换代愈来愈快。因而，以往的船型资料难以胜任新的要求，也很少可能籍此进 行系列船型的开发。 计算机和计算流体力学( c f d ) 的发展，为快速高效开发性能优异的单船( 或小 批量的) 船型提供了可能。同模型试验相比，c f d 方法更加经济，也更加快捷。 在船舶水动力性能方面应用c f d 方法的效果主要取决于c f d 程序的数学模型水 平。应当指出，c f d 方法并不能替代模型试验，但它可以缩小做模型试验的范 围和为型线优化提供有益信息。 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 在船舶设计实践中，已经取得了成功应用c f d 程序优化船体型线的工程实 例，而且最终也得到了应用实验流体力学f e f d ) 方法和实船试航的验证。美国一 项对三体船的阻力性能优化研究中，分别对外船体与中心船体的纵向相对位置 和横向间距在不同航速下多体船消波效果进行探讨，共组合了4 8 6 7 8 个方案的 c f d 计算，经优化计算确定了最佳设计方案，并得到了模型试验验证。船体型 线精细优化是针对传统优化方法而言的，其优化对象不仅包括主尺度、裸船体型 线，而且包括船体局部型线与附体型线。芬兰在开发1 3 5 ，0 0 0 m 3 l n o 船的设计过 程中，对船体型线基于快速性的要求采用了分步优化技术。首先运用经验方法( 海 军部系数法) 对船体尺度与型线进行了初步优化；其后应用c f d 计算机程序系统 对船体型线进行了进一步的优化，并以模型试验做了验证；最终应用模型试验 方法分别对舵鳍、消除舭涡装置和舵球等节能附体进行了选择性的优化处理， 已经形成了一个多水平的优化程序。从阻力角度优化船型，当然是要求总阻力 最小。总阻力通常由粘性阻力和兴波阻力构成。随着船速的高低，船型的不同， 粘性阻力所占比重不同，一般总占6 0 8 0 以上。粘性阻力中，表面摩擦阻 力占主要成分；摩擦阻力在极大程度上决定于船体的湿表面积，而在一定的范 围内，湿面积受船体形状的影响很小。因此从阻力的角度优化船型，主要考虑 的是兴波阻力最小。 船型优化主要从三个方面入手：1 ) 采用不同的兴波理论和阻力系数公式： 如m i e h e l l 理论、d a w s o n 型理论，以及优化需要对这些理论所做的各种变形， 或者综合试验方法( 主要是波形分析) 修改船型。基于m i c h e l l 理论的各种优化， 由于船型函数( 型值坐标) 显含在兴波阻力的公式中，目标函数( 阻力) 往往可以表 示成型值坐标的二次型。因此，直接把型值坐标作为优化参数，二次规划是常 采用的优化技术。基于d a w $ 0 1 1 型理论的优化，因为兴波阻力只是通过边值问题 和船型相联系，是一种高度非线性的优化问题，需要通过一系列正问题的数值 求解来完成目标函数( 包括它们的导数) 的计算，工作量成几个数量级地上升。2 ) 采用不同的数学形式表达船型：用帐蓬函数、多基点的b 样条描述船体蓝面或 船体横剖面面积曲线，用某种级数表示船型的变更等。对复杂的非线性规划， 在用数学方法表示船型时，独立的设计变量( 也就是优化变量) 应该越少越好。在 这方面，李世谟为船舶流体力学计算而设计的数学船型，纪卓尚等建立的船体 型值与船体u v 度间的映射函数，把船体优化的多变量问题化为单变量问题的技 巧等，值得注意。3 ) 应用各种近代的非线性规划技术。在众多的非线性规划方 法中，有许多种曾在船型优化中的锝到应用，如二次规划、序列二次规划、m m a 法，罚函数法结合h o k e j e e v e s 直接法，以及进化算法等。 1 3 本文工作 本文的第二章利用搜集的实船资料，应用回归分析法系统分析了l n g 运输 船的主尺度特征，详述了该类船的总体设计特征及型线特征；在第三章中，将 l n g 运输船阻力处分详细划分为三个部分：摩擦阻力部分、兴波阻力部分、粘 压阻力部分。研究了三部分阻力的经验算法及数值计算，并建立了该船型的阻 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 力计算模型，编制程序进行计算；在第四章中，分析了基于阻力性能的优化方 法，介绍了本文中采用的2 水平优化方法，对给定的母型l n g 运输船进行球首 局部优化，利用计算程序计算阻力，经过优化得到基于阻力最小的最佳船型。 本文的第五章，是对本文工作的总结及对该课题进一步研究的展望。 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 2 l n g 运输船船型分析【2 3 】 2 。1 l n g 运输船主要参数特征 本文收集了近百条l n g 运输船实船要素资料，就其规律性做了初步探讨， 概括出船舶各主尺度参数的变化规律。船舶要素如表2 1 所示。实船资料见附录 a 。 表2 1l n g 船子样尺度范围 t a b l e 2 id i m e n s i o n ss c o p eo f t h el n gc a r r i e r s 船舶要素数值范围 两柱间长l p p 1 1 3 7 0 4 1 2 8 3 船宽b m1 2 7 4 7 2 型深d m7 o l 2 9 6 3 吃水t m5 4 9 1 2 2 总吨位g t t 主机功率p ，k wl ，8 3 7 3 8 ，6 7 9 航速v s k n1 3 5 2 1 2 1 1 船长 按吨位规范丈量核定的船舶总容积 船长的选择一般是从总布置及船舶性能的角度来考虑的。要满足船舶使用 的要求，使舱室布置符合要求；尽量选择对应于船舶阻力性能良好的船型。船 长与操纵性密切相关，船过长，其固转性差，要考虑港口、航道内的操纵性问 题；如果在最低阻力所对应的最佳船长附近范围的总阻力差别不大时，应选用 阻力并不过高的最短船长，以降低船体造价。船长同总吨位的关系载于图2 。1 1 。 2 1 2 船宽 试验表明，对低速船可选用较大的船宽而不致使阻力增加很多，但是船宽 过大，将使横摇加剧，且长宽比l b 过小使形状阻力及汹涛阻力增加很快。图 2 1 2 给出船宽与总吨位的关系。 2 1 3 吃水 吃水变化影响到b t 值，在排水量不变时，剩余阻力随b t 的增大而增加。 低速船摩擦阻力占总阻力的大部分，故b t 对阻力的影响主要表现在由湿面积 变化引起摩擦阻力变化。吃水的确定要注意到环境因素，特别是航道与港口水 深变化。吃水随总吨位的变化示于图2 1 3 。 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 02 04 06 08 01 0 01 2 0 o t ( k t ) 图2 1 1l n g 船船长与总吨的关系曲线 f i g 2 1 1 c o r r e l a t i v ec u r v eb e t w e e nl e n g t ha n dg to ft h el n gc a r r i e r 02 04 06 08 0 1 0 01 2 0 g t ( k t ) 图2 1 2l n g 船船宽与总吨的关系曲线 f i g ，2 1 2c o r r e l a t i v ec u r v eb e t w e e nw i d t ha n dg to ft h el n gc a r r i e r 3 2 2 1 1 言一d d - 惦柏筋加12伯 一g - l n g 运输船总体设计与型线优化研究 2 1 4 型深 因液化天然气的密度小，故液化运输船吃水浅而干舷高，属于富裕干舷船 长深比l p p d = 1 0 或略高。图2 1 4 表示型深随总吨位的变化。 2 1 5 航速 l p g 船f r 0 3 ，属于中、高速船，其航速一般在1 9 k n 左右。如所周知，航速的选择同 船舶营运经济性密切相关。对于l n g 船，属于重要的能源运输船舶，其运输经 济性在设计中是十分关注的问题。因此，航速的确定直接关系到主机功率的大 小，关系到船舶营运的经济性。航速与总吨位的关系由图2 1 5 给出。 2 1 6 主机功率 作为船用主机总是要考虑其持续功率，即长期使用的功率。即使是这样， 因为各生产厂的条件与船上机舱条件有较大的差异，故而在船舶设计时选用主 机功率必须根据船的性质、用途、航区和使用条件等各种因素，作必要的修正 后方能作为船上主机的功率使用。否则会引起机桨负荷或功率发不足等一些问 题，以致影响船的使用性能。如在航速一节中所提及的，船舶营运经济性也是 主机形式和功率确定的重要因素。图2 1 6 给出主机功率同总吨位的关系。 2 2l n g 运输船的总布置特征 2 2 1 l n g 运输船概论和液货舱室布置 通常，l n g 船为单主机、单桨、艉机舱、上层建筑设于船艉部、货物区域 的船底和舷侧设双壳结构，该区域充当压载舱，舱底设有专门的管系和电缆通 道。规范要求一般l n g 运输船独立液货舱的数量为4 个；液舱与大舱壁的距离 要大于3 8 0 m m ；设有装置的舱室之间若要求具有气密完整性，则穿越这些舱室的 管弄或箱形中桁材处应保持气密完整性；穿过甲板间舱通向深舱和轴隧的通风 管，应具有适于承受该处压力的构件尺寸，且制成水密；在营运过程中，l n g 运输船的大舱和连接液舱的管系中要充满惰性气体以保持气密和安全性。 2 2 2 露天甲板布置特征 露天甲板要完整，若装置的设备和部件穿过露天甲板且防止水进入干舷甲 板下面处所的屏障时，其结构强度应等效于规范对此目的而提出的要求。否则 这些设备和部件应围闭在完全符合规范要求的上层建筑和甲板室内。 为便于进入或逃离制炼装置的工作处所，通常不设直梯，而每隔6 m 左右的 垂直距离设中间平台。扶梯及平台有栏杆，并设有可供应急用来连接起吊机构 的固定设施。应急起吊机构装置能无阻碍地将人和物提升至外面甲板上。 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 o2 04 06 08 01 0 01 2 0 g t ( k t ) 图2 1 3l n g 船吃水与总吨的关系曲线 f i g 2 1 3c o r r e l a t i v ec u r v eb e t w e e nd r a u g h ta n dg t o ft h el n gc a r r i e r 邑3 0 q 2 5 2 0 1 5 1 0 5 o2 04 06 08 01 0 01 2 0 g t ( k t ) 图2 。1 ，4l n g 船型深与总吨的关系曲线 f i g 2 1 4c o r r e l a t i v ec u f v eb e t w e e nd e p t h a n dg to ft h el n gc a r r i e r 侣住9 8 7 6 5 冒一勺 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 02 04 06 08 01 0 01 2 0 g t ( k t ) 图2 1 5l n g 船航速与总吨的关系曲线 f i g 2 1 5c o r r e l a t i v e c u r v eb e t w e e n v e l o c i t ya n dg t o ft h el n gc a r r i e r 02 04 06 08 01 0 01 2 0 g t ( k t ) 图2 1 6l n g 船主机功率与总吨的关系曲线 f i g 21 6c o r r e l a t i v ec u r v eb e t w e e n h pa n dg to ft h el n gc a r r i e r 1 4 趁烈柏伯侣仃侣佰他 ( u 邑 柏；筋加佰伯5 o 堇阻 l n g 运输船总体设计与型线优化研究 通常设有适合加工或生产的气体和蒸气，设有能测定制炼装置舱室内含氧 量的有效气体探测系统。另设有情性气体系统，应急快关系统，消防用的水喷 淋系统等。 2 2 3 各处所的位置和隔离 与船体结构分隅但又与其固定相连的、装有化学品或排出物的独立液舱的 周围应设有隔离空舱；要设有移动式或固定式机械通风系统；隔离空舱应有足 够的大小，以便对该处的所有液舱和船舶结构进行有效的检验。 起居处所、液货主控制站、控制站和服务处所( 不包括孤立液货装卸设备 储藏室) 应位于所有液货舱、污油舱和用以将液货舱和污油舱与机器处所隔离 的处所的后方，