【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶与海洋工程和流体力学领域，尤其涉及一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,cfd)结合径向基函数(radial basis function，rbf)-遗传算法(genetic algorithms,ga)的船舶减阻优化设计方法和系统。
技术介绍
1、随着国际国内进一步减少海运碳排放新规出台及eedi等指数的推行，航运业对集装箱船能耗要求日益提高。集装箱船上层建筑风阻对其能耗有显著影响，随着集装箱船规模不断扩大，上层建筑风阻占比提高，可占总阻力的10％～20％。增设整流罩能有效降低集装箱船风阻。然而，传统仅基于cfd的减阻设计方法，需要大量计算资源和较长设计周期，高效设计高减阻率整流罩外形面临挑战。
2、航运是国际贸易的重要组成部分，全球超过80％的国际贸易货物通过海运进行。因此，航运也成为温室气体排放的重要来源，航运业碳排放备受关注。另一方面，国际航运减排规则不断趋严，航运绿色新规是航运发展的新契机，船舶绿色技术有巨大的市场需求。增设高减阻率集装箱船整流罩能够降低船舶阻力、减小船舶能耗，是一种有效、易推广的船舶绿色技术。本专利技术提出的cfd-ga船舶减阻优化设计方法能够高效开展船舶整流罩外形优化设计，缩短船舶减阻方案设计周期，有效满足航运业绿色转型的巨大市场需求。
3、整流罩结构简单、安装位置灵活，在减阻、节能减排方面有显著优点，在各种运输工具中发挥着重要作用。通过优化外形设计，整流罩的流线外形能改善航行器周围流场分布，减少紊流和涡流现象，显著
4、在工程应用中，常见的形状优化技术有粒子群优化算法(pso)、蚁群算法和遗传算法(genetic algorithms,ga)等。其中，ga方法能够在复杂的设计空间中快速寻优，适合处理多峰值和复杂约束的优化问题。在整流罩外形优化中，往往通过数值分析方法建立整流罩形状参数与阻力系数之间的关系，常用的数值分析方法如多元线性拟合、b样条插值和rbf插值等。rbf插值提供了高精度的全局插值，适用于各种复杂的优化问题，因此本专利技术将构造一种基于rbf插值的ga船舶减阻优化设计方法。
5、综上，本专利技术针对船舶减阻优化设计，提出了一种基于cfd-ga的船舶减阻优化设计方法，能够高效开展船舶整流罩外形优化设计，有效降低风阻，减低船舶能耗，缩短优化设计周期，满足船舶运输节能减排需求。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有船舶风阻优化设计计算资源需求大、设计周期较长等问题，提出一种基于cfd-ga的高效船舶减阻优化设计方法和系统。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、本专利技术提供一种基于cfd-ga的船舶减阻优化设计方法，该方法包括以下步骤：
4、步骤1、对无整流罩的船舶进行cfd数值模拟，计算船舶阻力系数；确定整流罩的初期设计参数，进行整流罩参数化建模，生成整流罩模型；
5、步骤2、将多组带有整流罩的船舶进行cfd数值模拟，计算阻力系数及减阻率；
6、步骤3、结合rbf插值和ga方法，构建rbf-ga船舶减阻优化模型，将整流罩初期设计参数与cfd计算阻力系数输入到rbf-ga船舶减阻优化模型，得到优化后的整流罩设计参数；
7、步骤4、根据优化后的整流罩设计参数，生成新的整流罩模型，进行cfd数值模拟计算船舶阻力系数；
8、步骤5、判断优化后的船舶阻力系数是否满足目标减阻要求；若不满足，重复执行步骤1至步骤4，直到满足目标减阻要求，输出整流罩设计参数、阻力系数和减阻率，得到优化设计船舶整流罩外形。
9、进一步地，本专利技术的所述步骤1中进行整流罩参数化建模的方法包括：
10、设置整流罩位于船舶船艏舷墙上，舷墙前端顶点作为整流罩前端顶点，整流罩包括由以下线条组成的曲面：舷墙顶端曲线、前端曲线、两条对称的末端曲线、由前端曲线和两条末端曲线的顶点生成的端点连接样条线；通过以下两个可变参数对整流罩进行调整：整流罩前端曲线始末端点水平距离和末端直线与水平线的夹角。
11、进一步地，本专利技术的所述步骤1中前端曲线设置为三次曲线，前端曲线的前端顶点固定作为始端点，过始端点做垂线与前端曲线相切，切点为始端点；前端曲线末端点高度固定，能水平移动，用于控制与始端点的水平距离；同时过前端曲线末端点向后方延伸的切线作为末端直线，末端直线与水平线夹角能调节。
12、进一步地，本专利技术的所述步骤2中进行cfd数值模拟的方法包括：
13、导入步骤1建立的船舶的整流罩参数化模型，建立计算域长、宽、高分别为7l、1.5l、1.5l，其中l为船长，速度入口位于船艏1.5l处，压力出口距船尾端4.5l；考虑计算所用船舶对称，采用半船流场，中截面与距中截面1.5l宽度方向边界设置为对称边界条件，底部以及距船舶吃水线1.5l的顶部设置为滑移壁面，船体部分设置为无滑移壁面；
14、集装箱船风阻问题涉及粘性不可压缩流体的湍流流动，采用k-ε湍流模型模拟风场绕船舶问题，计算集装箱船阻力系数，对比分析整流罩集装箱船的流场变化和减阻率；阻力系数和减阻率如下：
15、
16、整流罩减阻率：
17、
18、其中，cd0表示无整流罩船舶阻力系数，cdi表示第i个整流罩的阻力系数。
19、进一步地，本专利技术的所述步骤3构建rbf-ga船舶减阻优化模型中的rbf插值方法包括：
20、通过rbf插值建立整流罩设计参数与阻力系数函数关系，rbf计算公式如下：
21、
22、其中，xi为整流罩设计参数，yi为cfd计算输出阻力系数，λi为权重系数，φ(r)为基函数。通过rbf插值得到整流罩设计参数与阻力系数函数关系后，可获得任意多组整流罩设计参数-阻力系数数据对，以作为后续ga优化初始数据。
23、进一步地，本专利技术所述步骤3构建rbf-ga船舶减阻优化模型中的ga方法包括：
24、使用ga方法进行优化时，随机选定n个个体，如n＝200，一个个体为一组整流罩设计参数。每个样本由一个二进制数组表示(由多列组成，每一列值为0或1)，二进制数组称为个体的基因，基因通过下式可化作整流罩设计参数x，这一过程称作解码。假设样本中一个个体的基因为b本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中进行整流罩参数化建模的方法包括：
3.根据权利要求2所述的基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中前端曲线设置为三次曲线，前端曲线的前端顶点固定作为始端点，过始端点做垂线与前端曲线相切，切点为始端点；前端曲线末端点高度固定，能水平移动，用于控制与始端点的水平距离；同时过前端曲线末端点向后方延伸的切线作为末端直线，末端直线与水平线夹角能调节。
4.根据权利要求1所述的基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中进行CFD数值模拟的方法包括：
5.根据权利要求1所述的基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤3构建RBF-GA船舶减阻优化模型中的RBF插值方法包括：
6.根据权利要求5所述的基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤3构建RBF-GA船舶减阻优化模型中的GA方法包
7.根据权利要求6所述的基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，步骤3得到优化后整流罩设计参数内容包括：
8.根据权利要求1所述的基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤5中判断优化后的船舶阻力系数是否满足目标减阻要求的方法包括：
9.一种基于CFD-GA的船舶减阻优化设计系统，其特征在于，包括：
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，用于被处理器执行时，实现权利要求1至8中任意一项所述的基于CFD-GA的船舶减阻优化设计方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于cfd-ga的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于cfd-ga的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中进行整流罩参数化建模的方法包括：
3.根据权利要求2所述的基于cfd-ga的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中前端曲线设置为三次曲线，前端曲线的前端顶点固定作为始端点，过始端点做垂线与前端曲线相切，切点为始端点；前端曲线末端点高度固定，能水平移动，用于控制与始端点的水平距离；同时过前端曲线末端点向后方延伸的切线作为末端直线，末端直线与水平线夹角能调节。
4.根据权利要求1所述的基于cfd-ga的船舶减阻优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中进行cfd数值模拟的方法包括：
5.根据权利要求1所述的基于cfd-ga的船舶减阻优化设计方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵江燕，程旗鹏，马小婕，张芦，张咏鸥，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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