2022, Vol. 44
2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011;
3. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China;
3. School of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
在海洋油气开采中，钻井船具备深水钻井与移动部署能力，是海洋开发重要的装备之一，而钻井船的快速性直接影响着其快速部署能力，因此在满足钻井船主要功能的前提下，通过型线优化的方式来提高钻井船的快速性显得尤为重要。
近些年随着计算机技术的迅速发展，在利用型线优化的方法来提高船舶的性能方面，国内外学者做了大量的工作。李志雨等[1]基于CFD方法，对船舶月池内流场及其所带来的附加阻力进行了详细研究。Sivabalan等[2]使用CFD技术，对某带有月池的船舶进行了阻力计算并得出相应规律。黄祥宏等[3]对船舶月池内的流体运动形式以及流动对壁面的作用进行了分析。熊小青等[4]利用CFD技术对油船完成了针对快速性的首部型线优化。邓贤辉等[5]基于iSIGHT优化设计平台，将遗传算法引入，对某双尾集装箱船的阻力优化。张文山等[6]基于球首参数化建模和NURBS理论，对母型球首构型进行参数优化。国内外对钻井船型线的设计优化不多，常见主要集中在对月池的分析上。Erik等[7]对二维月池内的流动进行了数值仿真，并在分析后将方法拓展到了三维月池的流场预报研究。Riaan等[8]通过系列模型试验对月池内的流体流动进行了讨论，验证了计算模型的正确性。
本文应用CFD方法对某钻井船首尾进行了型线优化，对比得出阻力最小的优化结果，为钻井船型线优化设计提供参考和借鉴。
1 计算模型、数值模型及网格划分 1.1 钻井计算模型本文以某型超深水钻井船为研究对象，钻井船模型如图1所示，主尺度如表1所示。
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图 1 钻井船模型 Fig. 1 Drilling ship model |
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表 1 主尺度 Tab.1 Main dimensions |
大月池开口钻井船阻力性能数值研究问题中流场与船体模型都具有对称性，即船体与流场都相对于中纵剖面对称，因此在计算模型对象上选择船体中纵剖面的一侧，计算域的来流方向范围取−2.0Lpp≤x≤3.0 Lpp，展向方向的计算域范围取0.0 Lpp≤y≤2Lpp，垂向方向的计算域范围取−2.5Lpp≤z≤1.0Lpp。本文研究中用到的计算网格是使用STAR-CCM+软件进行生成的。使用该软件中的网格生成模块，对模型表面进行处理，进行面网格重构（surface remesher），使模型表面三角化，之后以三角形面网格为基础，以一定增长率在计算域中生成边界层（prism layer mesh），最后形成切割体网格（trimmed mesh），形成体网格。
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图 2 钻井船模型 Fig. 2 Drilling ship model |
船舶首尾部的线型变化由Caeses软件自由曲面变形（free form deformation）模块进行，FFD首先是由Brigham Young University的Sederberg和Parry提出来。FFD的变形操作不是直接作用于物体，而是作用于所嵌入的变形空间，如果变形空间被改变了，则嵌入其中的物体自然也随之改变。因此将物体模型嵌入一个框架中。当控制点位置改变时，框架内的空间变化将会将模型“拉扯”，从而实现模型的变形。
FFD算法主要有2个步骤：
1）构造一个局部坐标系STU，然后计算模型每个顶点坐标所对应的局部坐标(s,t,u)。不管控制点世界坐标如何变化，局部坐标(s,t,u)都固定不变。
2）移动控制点，利用模型顶点局部坐标(s,t,u)、控制点世界坐标和Bernstein多项式重新计算模型每个顶点的世界坐标。
钻井船船首尾部控制点框架如图3所示。
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图 3 钻井船首尾部控制点框架 Fig. 3 Frame of control points at bow and stern of drilling ship |
通过移动x，y，z三个方向的坐标进行控制点改变，进而进行船舶曲面修改。图4为船模首尾部变形控制点框架，高亮显示的点为移动的点。
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图 4 钻井船首部控制点框架与控制点坐标变换窗口 Fig. 4 Coordinate transformation window of bow control point frame and control point |
图5为首部变形前后对比型线图，其中，黑色曲线代表变形后，控制点位移不等于面位移。
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图 5 首部变形后对比 Fig. 5 Comparison after bow deformation |
图6为尾部变形前后对比型线图，其中，黑色曲线代表变形后，控制点位移不等于面位移。
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图 6 尾部变形后对比 Fig. 6 Comparison after aft deformation |
针对性地对平行中体以外的首部线型和尾部线型进行了优化，包括首部线型3个优化方案和尾部线型5个优化方案。两两组合一共15个方案。简化船首01为B1，船尾01为S1，以此类推。15个方案分别为：B1S1，B1S2，B1S3，B1S4，B1S5，B2S1，B2S2，B2S3，B2S4，B2S5，B3S1，B3S2，B3S3，B3S4，B3S5。
3 优化结果分析 3.1 钻井船不同线型方案阻力数值计算结果基于线型变化后的15组方案，应用CFD软件计算方法进行钻井船阻力数值计算研究。不同钻井船优化方案B1S1，B1S2，B1S3，B1S4，B1S5，B2S1，B2S2，B2S3，B2S4，B2S5，B3S1，B3S2，B3S3，B3S4，B3S5的阻力数值计算结果如表2所示。
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表 2 不同方案下阻力值（半船） Tab.2 Resistance values under different scenarios (half ship) |
15个方案中，阻力最优的3组为：B1S4，B1S2，B1S1，其中无阻力优化效果的为B1S3，B1S5，B2S3，B2S5，B3S3，B3S5，即S3与S5两组尾部无优化。排除无优化方案剩余9组方案，满足3组首部、3组尾部共9个方案。不同钻井船方案B1S4，B1S2，B1S1，B3S4，B3S2，B2S2，B3S1，B2S1的船身水动压力数值计算结果如图7所示。B1S4，B1S2，B1S1三组阻力最优方案的船首负压范围较原始线型略小，压力过渡更均匀。
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图 7 钻井船9组方案的水动压力分布与原始线型水动压力对比图 Fig. 7 Comparison of hydrodynamic pressure distribution and original linear hydrodynamic pressure of 9 drilling ship schemes |
钻井船最优方案B1S4和原型线型的阻力数值计算结果如表3所示。15个方案中，阻力最优为：B1S4，阻力优化效果为2.003%，其中，摩擦阻力降低0.13%，剩余阻力优化效果为8.9%。
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表 3 最优方案下阻力值（半船） Tab.3 Resistance values under the optimal scheme (half ship) |
钻井船最优方案B1S4和原型线型的自由表面波形计算结果如图8所示。最优方案的兴波波系范围较原始线型略小，尾浪波峰较低，且首部具有较小的波谷区域，另外B1S4相比原始线型的兴波峰谷范围较小，波浪的能量相对较低，剩余阻力较低。
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图 8 钻井船阻力最优B1S4方案自由表面兴波与原始线型自由表面兴波对比图 Fig. 8 A comparison of the free surface wave-making of the optimal B1S4 drillship resistance and the original linear free surface wave-making |
钻井船最优方案B1S4和原型线型的水动压力计算结果如图9所示。最优方案的首部高压区域范围与低压区域范围均较原始线型略小，尾部低压区域也较小，因压力梯度产生的压差阻力较低。
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图 9 钻井船阻力最优B1S4方案水动压力与原始线型计算结果对比图 Fig. 9 Comparison of hydrodynamic pressure and original linear calculation results of optimal B1S4 drag of drilling ship |
钻井船最优方案B1S4和原型线型的首部涡量计算结果如图10所示。钻井船最优方案B1S4和原型线型的尾部涡量计算结果如图11所示。钻井船的最优方案B1S4的首尾部涡量与原始线型分布基本一致，但是，在船尾分离舭涡处，B1S4方案具有较小的分离舭涡，如图12所示，即B1S4方案带走的漩涡能量较低，漩涡阻力较低。
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图 10 首部涡量场 Fig. 10 Vortex field at bow |
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图 11 尾部涡量场 Fig. 11 Vorticity field at stern |
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图 12 钻井船阻力最优B1S4方案尾部舭涡结构与原始线型计算结果对比图 Fig. 12 Comparison of calculation results of ship poop bilge vortex structure and original line shape in optimal B1S4 scheme of drilling ship resistance |
本文对钻井船进行阻力分析及线型优化研究，针对性地对平行中体以外的首部线型和尾部线型进行优化。相关结论如下：
1）钻井船首尾部的线型变化的方法为自由曲面变形（free form deformation）方法，首尾部线型的变形应用Caeses软件FFD模块完成。
2）由于钻井船的主尺度参数中水线长度在优化过程中为固定值，因而水线雷诺数不会随着线型的优化而发生改变。由ITTC1957公式可知，摩擦阻力系数不变。因此，阻力的优化过程中剩余阻力的优化为主要优化方向，通过降低兴波波形和旋涡范围实现剩余阻力的降低。
3）线型的优化过程中，建立了首部线型3个优化方案和尾部线型5个优化方案，两两组合共15个优化方案。
4）通过进行15个方案的数值计算，去除了2组尾部线型方案，形成了9组减阻方案，其中最优的3组方案为B1S4,B1S2和B1S1。阻力最优方案为B1S4，此方案的阻力优化效果为2.003%，其中，摩擦阻力降低0.13%，剩余阻力优化效果为8.9%。
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