0 引　言

随着数字化技术的发展，船舶呈现出集成性和实践性同步发展的特点，为了实现多种的功能，设计师需要为船舶设置不同类型的附体，并根据用途设置于船体表面的特定区域。在综合科学考察船设计中，水下附体需要安装主要的声学研究设备^[1]，其参数特征选取会对自身的工作环境和船舶性能产生影响。

如何快速地对船舶附体进行参数选择和优化，在有限的变量范围内获得相对合理的船舶附体参数，是综合科学考察船总体设计领域中备受关注的研究内容之一。

为了对上述课题进行初步探讨，中国舰船研究设计中心以一型科学考察船的船底附体为研究对象，该附体主要用于安装声学研究设备，并被布置于船底特定的位置。该附体相对体积较大，且对水下工作流场环境有一定的要求。本文首先对附体的流场环境需求进行分析，设定了优化原则和关键几何参数；然后建立了3个具有不同几何参数附体的船体三维模型，比例为实尺，在均匀流场中直航，来流速度为6.69 m/s，利用数值仿真的方法进行对比，筛选出流场环境最优的附体方案；随后利用参数控制优化的方法求得了具体的附体关键几何的参数，经与模型水池试验对比验证，优化参数后的附体方案流场环境有较明显的改善。

1 附体流场环境需求分析 1.1 本文船舶附体的用途

本文的研究对象是一艘综合科学考察船，所采用的附体主要用于容纳多台海洋声学数据采集的仪器设备并保障其正常工作。

1.2 附体流场环境需求分析

海洋声学设备是综合科学考察船利用声学方式扫描、接收海底科学数据的主要设施。综合科学考察船一般采用走航扫描的方式对一定海区进行数据采集^[1]。为保障海洋声学设备正常持续作业，在保证本设备和线缆安装空间的前提下，结合船舶布置状态分析，对容纳它们的附体流场环境有如下需求：

1）突出船底，具有良好的扫描视野，减少或避免产生向海底方向的盲区；

2）尽量远离船艏兴波区、舯部机舱区、艉部螺旋桨等船舶自身的水动力噪声或振动噪声区域；

3）尽量减少自身或周围湍流区域，以减少湍流所引起的水动力噪声^[2]。

上述需求仅从保障海洋声学设备工作环境的角度提出，在工程实际中，还需要综合考虑船型阻力、布置空间效率等因素。

2 船体与附体 2.1 船体几何模型的建立

为保证计算条件的典型性，本文选取一艘3000 t级综合科学考察船的作为参考的船体模型。该船船体为单体船型，尺度适中，可满足典型水下附体的安装空间；吃水大于4 m，远离海面波浪干扰；船型光顺连续，来流前端无其他附体，具有较规则的来流。

船体的主要几何参数如表1所示。

本船船型相对简单，本文选用实尺1∶1比例建立几何；由于后部的去流区域与附体流场环境没有明显关联，因此本文省略了后部的推进吊舱等模型已进一步简化建模工作量。建立完成的船体几何模型如图1所示。

2.2 附体几何模型的建立

附体几何需要根据海洋声学设备的体积及线缆安装空间设计其基本外形，并根据第1.2节中的流场环境需求选择其在船体上的布置位置。

海洋声学设备长约12 m，宽约8 m，呈“T”型布置，厚度约0.5 m，需要连接多束线缆。在进行科学考察作业时，声学设备需要向下发射和接收信号，需要开阔的发射接收视界。

为了能容纳全套海洋声学设备，并减少附体阻力，本文初步考虑尖部向船首的三角形作为附体的基本外形。附体底面为平面透声材料，侧壁面为钢质材料以便与船体焊接。附体主要几何参数如表2所示。

考虑到远离本船机械噪声部位和船首兴波部位，附体沿中轴线布置于船体底部的中前位置，距离船中机舱区和船首柱均有一定距离；同时，附体突出船体下方约0.6 m，声学设备发射和接收区域无遮挡，视野开阔。

附体几何按照1∶1比例建立并组合到船体模型上。建立完成的船体加附体几何模型如图2所示。

2.3 附体几何的优化参数分析

在基本外形和主要尺度参数的基础上，按照1.2节第3条的需求，应尽量减少自身或周围湍流区域，以减少湍流所引起的水动力噪声。其他科学考察船在设计时，设想了多种减少湍流的方法。

吴刚^[1]在研究中列举过船体凹槽和船首气泡引导槽2种方式，可以引导船首湍流向附体两侧流动，以减少附体周围的湍流强度和范围，如图3所示。

船体凹槽式导流槽可以在船底附面层湍流接近时，向船体凹槽内引导湍流。但是这种方式会使船体结构加工变得复杂，且会损失部分浮力。

船首气泡引导槽可以将船首产生的湍流导向船体两侧，而不会对附体周围产生影响^[2]。然而在实船设计中，这种小尺寸的开槽施工困难，且存在加剧首部湍流的可能。

因此，本文考虑即不改变主船体线型，又能符合附体湍流环境要求的方式对附体自身的几何参数进行优化分析。

附体的主要几何参数中，总长和宽度受到设备尺寸限制，厚度则取决与声学设备的厚度以及对主船体阻力增加的影响，不宜做大的调整；侧壁与底面夹角α是可以调整的主要参数，当α＞90°时，湍流容易导向底面，增加了对声学设备的干扰，当α＜90°时，可以产生引流效应。但α不能一直变小，该参数收到以下因素的制约：

1）附体内设备两侧需要尽可能大的横截面空间，便于电缆施工；

2）附体最外边缘距离船中线为4100 mm，不能扩大；

3）侧壁与底面夹角不得小于60°，否则不便于施工。

侧壁部位以及变化α角的横截面情况如图4所示。

本文基于上述约束条件，本文选取α=90°和α=70°两个附体加船体方案的几何模型，用于对比分析。附体α=70°的几何模型如图5所示。

3 湍流类型和计算工况 3.1 湍流类型

海洋声学设备工作时，综合科学考察船通常处于定航向、定航速的航行状态，附体所处的流场环境接近于定常状态。在数值仿真计算中，可以认为船体和附体处于定常湍流速度场中^[3]。

本文选用RANS 方程作为数值计算流体控制方程。连续变量和不可压缩流体 RANS 方程为：

$\frac{\partial {U}_{i}}{\partial {x}_{i}}=0 ，$

(1)

$ \frac{\partial {U}_{i}}{\partial t}+{U}_{j}\frac{\partial {U}_{i}}{\partial {x}_{j}}=-\frac{1}{\rho }\frac{\partial \overline{P}}{\partial {x}_{i}}+\frac{1}{V}\frac{{\partial }^{2}{U}_{i}}{\partial x_{j}^{2}}-\frac{\partial }{\partial {x}_{j}} \overline {u_{i}'u_{j}'}。$

(2)

式中：$ {\rho} $ 为流体密度；$ {x}_{i}(i=1，2，3 )$为独立坐标值；$ {U}_{i}(i=1，2，3) $为Reynolds有义速度项；$ -\rho \overline{u_{i}^{'}u_{j}^{'}} $ 为Reynolds 压力势；$ \overline{P}=\left(\dfrac{P-{P}_{\infty }}{\rho U_{0}^{2}}+\dfrac{Z}{F_{r}^{2}}\right) $为渗透压力系数。

实际工程应用中，可选用的湍流模型不多，本文选用$ k-\varepsilon $湍流模型^[4]，使用商用STAR-CCM+平台进行计算^[8]。

3.2 计算工况

本文选取科学考察船进行声学考察作业的典型工况作为计算工况，分别使用船体加α角为90°的附体和船体加α角为70°的附体2个几何模型进行计算。

声学考察作业的典型工况是：

1）稳定航速为6.69 m/s；

2）稳定航向，迎来流方向直线航行，航向角为0°。

计算工况如表3所示。

计算域采用实尺度右手坐标系，原点位于船体基线与船中剖面交线的中点处，进口边界距原点1.5倍船长，出口边界距原点3倍船长，左侧和右侧壁面距原点1倍船长^[5]，在水线面处设自由液面，设定如表4所示。

所建立的计算域如图6所示。

4 数值仿真对比

由于定常工况并不能精确预报湍流强度，因此本文主要利用数值仿真进行形态对比和观察。因此，重点观察船体表面等值面、附体所在区域的横截面等值面、附体周围的速度等值面和流线形态进行对比。图7为附体所在区域横截面位置示意图。

4.1 船体表面等值面形态对比

工况1是附体壁面为垂直的模型进行仿真，网格数量约63万个；工况2是附体壁面为内倾的模型进行仿真，网格数量约61万个。船体表面压力等值面形态如图8所示。

船底压力等值面形态分布基本相同，但是工况2附体两尖端较工况1附体两尖端的负压区域更为明显^[6]，表明工况2中该区域的湍流更为集中，导致压力变化梯度大。

4.2 横截面等值面形态对比

工况1与工况2在横截面处的压力等值面形态对比如图9所示。

从附体后方观察，工况2的负压区域更加明显。

4.3 附体周围速度等值面形态对比

工况1与工况2附体周围速度等值面形态对比如图10所示。

可知，工况1中附体边缘有明显的湍流边界，工况2由于侧壁内倾的导流作用，边缘湍流的区域较工况1明显减少。

4.4 流线形态对比

工况1与工况2流线形态对比如图11所示，流线发生截面垂向位置位于附体下表面处。

工况2的流线流过附体下表面后相比于工况1发生明显的向两侧分离的现象，说明α=70°的侧壁起到了向两侧导流的作用。

综上对比，从流体形态上观察，工况2中附体侧壁内倾起到了导流作用，减少了附体底面的湍流。

5 水池模型试验形态验证

为了进一步验证α角参数对附体导流方案的影响，本文对2种工况进行了水池模型试验。试验在拖曳水池内进行，共制作2个船体+附体模型，模型比例为λ=12.57，根据尺度效应换算拖航速度约1.76 m/s^[7]。其中模型1为船体加α=90°的附体，模型2为船体加α=70°的附体，为了减小附体两边角负压区的影响，对水池试验模型附体的后壁进行了填角处理。模型试验工况如表5所示。

模型试验采用涂漆流线显示的方法对附体及周围流场情况进行显示，图12为试验后2个模型的流线显示情况。

可以观察，模型1附体中流线有明显向附体底面流动的痕迹，而模型2中内倾侧壁的导流作用限制了两侧流线向底部流动的趋势，这与数值仿真的形态趋势一致。此外，由于试验模型对附体后壁进行了填角处理，附体两端点的负压得到了缓解。

6 附体关键几何参数控制优化

在了解附体优化的主要趋势和关键几何参数为侧壁与底面夹角α的基础上，为进一步求得α的最优值，以便应用与工程实施中，本文以2.3节中的约束为控制条件，进行了几何参数优化。

该问题的优化目标为在满足以上约束条件的情况下，使得附体内设备两侧的横截面空间最大，以便于电缆施工。求解优化问题的首先确定优化三要素，即设计变量，约束条件和目标函数。优化附体横截面区域示意图如图13所示，考虑附体高度h和附体边角角度α为设计变量。约束条件如下：考虑施工可行性，边角角度α需在70°～80°范围内；附体高度h需在1020～1060 mm范围；附体中心处距离船底基线为固定值600 mm；附体上边缘距离中线为固定值4100 mm；附体下边缘距离中线距离不超过4350 mm。优化目标是附体内设备两侧的横截面空间最大，即图中虚线左侧梯形面积与右侧三角形面积之和，为方便优化求解计算，目标函数取为横截面面积的负值。

上述问题可以转化为如下求解最小值的优化模型：

$ \left\{\begin{aligned} &\mathrm{find}\;(h,\alpha )，\\ &\min f=-\left( h+600\right) \times 2050-\frac{{h}^{2}}{2\tan \alpha}，\\ &{{\mathrm{s}}}.\mathrm{t}\frac{h}{\tan \alpha}\leqslant 250，\\& \alpha \in \left[70\text{，}80\right],h\in \left[1020{,}1060\right]。\\ \end{aligned}\right. $

(3)

基于Matlab软件平台，采用序列二次规划法求解上述优化模型，得到最优α=77°，附体内层高度h=1060 mm，此时目标函数值为−3.536，即附体两侧横截面面积最大为3.536 m²。将目标函数f分别对h和α求偏导，可以发现目标函数h和α的增大而减小。而求得的最优解落在内层高度h的上界，不在α角的上界，此时约束函数值也在约束边界，说明目标函数随着h的增大下降更快，其极值主要受到h的上界和约束条件的限制。

7 结　语

针对现代船舶附体优化的研究方向，本文初步探索了通过数值仿真、模型试验和参数优化的方法分步骤实现附体设计优化目标。本文以一型科学考察船的船底附体为研究对象，该附体主要用于安装声学研究设备，并被布置于船底特定的位置。该附体相对体积较大，且对水下工作流场环境有一定的要求。本文首先对附体的流场环境需求进行了分析，设定了优化原则和关键几何参数；然后建立了3个具有不同几何参数附体的船体三维模型，比例为实尺，在均匀流场中直航，来流速度为6.69 m/s，利用数值仿真的方法进行对比，筛选出流场环境最优的附体方案；随后利用参数控制优化的方法求得了具体的附体关键几何的参数，经与模型水池试验对比验证，优化参数后的附体方案流场环境有较明显的改善。

总结该方法主要由以下步骤：

1）分析附体中设备布置和流场环境的需求，整理形成约束条件；

2）建立多方案数值仿真模型，通过仿真流场形态进行对比；

3）建立相似状态的水池试验模型，通过流线显示的方法进行对比；

4）进行参数优化，确定具体参数数值。

当然，仅从形态观察分析是不够的，后续还将结合水动力噪声理论，以及对船体阻力的影响做进一步的研究分析。