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船舶设计中的CFD模拟与性能优化研究船舶设计中的CFD模拟与性能优化研究在现代船舶工程领域中扮演着重要的角色。
基于计算流体力学（CFD）模拟，船舶设计者能够通过分析和优化船体、船舱、推进设备和其他与船舶流体力学相关的部件来提高船舶性能和效率。
本文将重点探讨CFD模拟在船舶设计中的应用，并介绍优化策略以提高船舶性能。
CFD模拟是通过使用数值方法来模拟流体流动和传热现象的技术。
在船舶设计中，通过CFD模拟可以准确地预测船舶在不同流动条件下的流体力学特性和性能表现。
CFD模拟可以帮助船舶设计师了解船体在不同速度下的阻力和流线型，以及推进装置产生的推力和推进效率。
此外，CFD模拟还可以用于研究和优化涉及船体结构和推进设备的细节设计。
船舶推进效率的优化是船舶设计中的一个重要方面。
通过CFD模拟，可以精确计算船舶在运行过程中的阻力和推力，从而确定最佳的推进装置和推进功率。
同时，通过调整船体的外形设计和船体附加装置，如船底舵和螺旋桨喷水装置等，可以改善船舶的流体动力学性能和降低能耗。
船舶的阻力形成船舶在水中运动时所需的推动力。
通过CFD模拟，船舶设计师可以研究如何减小船体的阻力，从而提高船舶的速度和能效。
例如，通过调整船体的几何形状，减少船体表面的阻力和摩擦力，船舶的阻力可以得到降低。
此外，通过在船底舵和螺旋桨等部件上安装类似凸起物的附加装置，可以改善流体的分离和流线型，减少湍流，提高船舶的流线型和流体动力学性能。
船舶涡流对航行性能和船体稳定性具有重要影响。
通过CFD模拟，可以分析船舶周围的流场，了解涡流的产生和演化过程，从而优化船舶的设计。
例如，在设计船体的下水口和船体船底时，可以通过CFD模拟，确定合适的尺寸和形状，以避免过多的涡流产生，降低水阻和航行噪音。
此外，通过调整船舶的航行速度和角度，可以改变湍流产生的位置和强度，进而优化船舶的流体动力学性能和航行稳定性。
除了船体设计的优化，CFD模拟还可以用于优化船舶推进装置的设计。
CFD在船舶建模中的应用研究CFD（计算流体力学）是一种基于数值计算的方法，用于模拟流体的运动和相互作用。
在船舶建模领域，CFD已成为一种重要的工具，被广泛应用于设计优化、性能评估和安全分析等方面。
一般来说，CFD在船舶建模中的应用主要涉及以下几个方面：1.流体流动模拟：在船舶的设计过程中，了解船舶在不同速度和水深条件下的流体流动情况非常重要。
利用CFD模拟，可以预测船舶在各种航行条件下的阻力、波浪产生情况和船体流线等。
这些模拟结果可以帮助设计师优化船体形状、改进尾流和减小阻力，提高船舶的性能表现。
2.船舶结构应力分析：船舶结构的应力分析非常关键，它可以评估船舶在正常或极端工作条件下的结构强度和可靠性。
CFD可以模拟船舶受到水流、波浪和风力等因素的作用，预测船体和各个部件的力学响应，包括弯曲、扭转、拉伸和剪切等。
这些模拟结果可以帮助设计师改进船体结构，使其更加坚固和安全。
3.船舶操纵和操纵性评估：在船舶设计中，操纵性是一个重要的考虑因素。
CFD可以模拟船舶在不同操纵条件下的响应和行为，包括转向性能、顺行性能和侧向力等。
基于这些模拟结果，设计师可以调整舵角、尾流导流板和船体形状等，以改善船舶的操纵性和响应性。
4.船舶水动力性能评估：在船舶建模中，CFD可以用来评估船舶的水动力性能，包括速度、推进效率和船头抬升情况等。
通过模拟不同船体形状和推进方案的性能表现，可以比较不同设计方案的优劣，为船舶性能的改进提供指导。
5.环境保护和排放控制：随着对环境保护要求的提高，船舶排放控制成为一个重要的问题。
CFD可以模拟船舶排放物在大气和水中的传播情况，预测其浓度分布和影响范围。
这些模拟结果可以帮助设计师优化船舶排放措施，减少对环境的影响。
综上所述，CFD在船舶建模中的应用研究可以提供有关船舶流体流动、结构应力、操纵性能、水动力性能和环境影响等方面的重要信息。
这些信息可以帮助设计师改进船舶设计，提高其性能和安全性。
第14卷第7期船舶力学Vol.14No.7 2010年7月Journal of Ship Mechanics Jul.2010文章编号：1007-7294（2010）07-0812-10基于CFD的船型优化设计研究进展综述赵峰1，李胜忠1，杨磊1，刘卉2（1中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2中国舰船研究院，北京100192）摘要：随着计算机技术的飞速发展以及最优化理论的不断完善，最优化技术已被引入船舶设计领域，并与先进的CFD技术成功结合，发展形成了崭新的SBD（Simulation Based Design）技术，该技术为船型优化设计和构型船型打开了新的局面，在国际船舶研究设计领域引起了广泛的关注。
文中对船舶领域中的SBD技术的基本内涵及其所包含的主要关键技术进行了阐述和总结，同时对国内外该研究方向的发展现状与趋势进行了分析和评述。
关键词：船型优化设计；CFD；SBD技术；船体几何自动重构；优化技术；近似技术中图分类号：U662.9文献标识码：AAn overview on the design optimization ofship hull based on CFD techniquesZHAO Feng1,LI Sheng-zhong1,YANG Lei1,LIU Hui2(1China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China;2China Ship Research and Development Academy,Beijing100192,China)Abstract：Optimization algorithms and CFD techniques are combined together into what is known as Sim-ulation-Based Design(SBD)techniques.A worldwide attention was concentrated since the SBD presented. In this paper,essential connotation and crucial techniques of the SBD in the naval hydrodynamic context are reviewed.And then,the domestic and international research work and recent progress are introduced.Finally, the developing trends on the design optimization of ship hulls based on CFD techniques are unscrambled. Key words:ship hull design optimization;CFD;SBD;hull geometry automatic modification;optimization techniques;approximation techniques1引言船体型线设计是一门复杂的综合性技术，是船舶总体设计中的一个核心环节，设计水平和能力对船舶综合航行性能、经济绩效和产品竞争力都具有重要影响，也是促进船舶工业发展和实现船舶创新设计需求中亟待解决的关键技术问题。
CFD在船舶建模中的应用研究一、引言船舶在航行过程中，受到海水的阻力、风浪的影响等多种力的作用。
船舶建模可以预测船舶在不同条件下的运动状态，以维持船舶的稳定性和安全性。
计算流体力学（CFD）是一种计算流体力学的方法，通过数值模拟对流场进行分析和计算。
CFD可以模拟船舶在不同水流速度、水深、风速、波高等条件下的流场，预测船舶的运动状态，为船舶建模提供一个新的分析工具。
二、CFD在船舶建模中的应用1.船舶性能预测船舶在不同水流速度、水深、风速、波高等条件下，船体受到的流体载荷不同，会对船舶的性能产生影响。
CFD可以对船体流场、阻力、扭矩、推力等参数进行模拟和计算，研究在不同的工况下船舶的性能表现，包括船舶的速度、稳定性、操纵性、燃油消耗等方面。
2.船舶航行状态仿真船舶是在海洋环境中进行航行的，其所受到的流体载荷一般都是复杂的非线性载荷，因此需要进行CFD的数值仿真才能准确的得到船舶的运动状态和航行特性。
通过数值模拟可以对船舶的航行状态进行仿真，包括船舶的运动轨迹、速度、受力情况等，可以为船舶的航海安全提供支持。
3.船舶舱室流场分析CFD也可用于对船舶的舱室内部进行流场分析，如船舶内空气流动的速度、温度分布等。
该技术可以确保船舶内部的空气流通性能并优化船舶设计。
船舶内部的空气流动分析，对于提高船舶的安全性、乘客舒适度以及减轻船员的工作负担具有重要意义。
三、CFD在船舶设计中的优势1.提高设计效率通过CFD可以进行快速准确的数值计算，无需进行实际试验，可以很大程度上提高船舶的设计效率。
在船舶设计中，每一次的实验都依赖于物理模型和实验设备，需要大量的人力、物力进行搭建，成本相对较高，而通过CFD数值模拟技术进行分析，则可以降低船舶设计的成本，同时提高设计效率与准确度。
2.降低设计风险通过CFD数值计算，可以在设计之前进行模拟分析，了解实际工况下设计可行性的特点。
这可以降低实际工程风险，减少实际设计成本，并提高设计成功率，从而增强产品竞争力。
船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计船舶水动力性能是研究船舶在水中运动的重要领域之一。
为了提高船舶的航行速度、操纵性和能效，工程师们利用计算流体力学（CFD）模拟技术开展了大量的研究与优化设计工作。
本文将介绍船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计方法，并探讨其在船舶工程领域中的应用。
1. 模型构建船舶的水动力性能主要包括波浪阻力、湍流阻力、粘性阻力和激波阻力等。
在进行CFD模拟前，首先需要构建船舶的几何模型。
根据不同的船舶类型和设计需求，可以选择不同的建模方法，如传统的离散几何模型或参数化设计模型。
通过建模软件，将船舶的几何形状转化为计算机可识别的几何信息，为后续的模拟分析做准备。
2. 网格划分在进行CFD模拟时，网格划分是非常重要的步骤。
网格的划分质量将直接影响模拟结果的准确性和计算效率。
通常情况下，船舶的复杂几何形状需要采用结构化或非结构化网格划分方法。
结构化网格适用于简单几何形状，而非结构化网格则适用于复杂几何形状。
通过优化网格划分，可以更准确地模拟和预测船舶在水中的运动行为。
3. 流场模拟在进行CFD模拟时，需要建立适当的物理模型和数值模型。
根据船舶运动的特性，可以选择合适的流体方程和边界条件。
在求解过程中，采用合适的数值方法和稳定性算法，以保证模拟结果的准确性和稳定性。
通过CFD模拟可以获取船舶在不同操作条件和流场环境下的运动特性，如阻力、流线和压力分布等。
4. 优化设计基于CFD模拟结果，可以进行船舶水动力性能的优化设计。
通过调整船体形状、推进系统和尾流控制等参数，可以改善船舶的流线型和水动力性能。
优化设计的目标往往是降低阻力、提高速度和操纵性，以及减少燃油消耗和排放。
通过多次CFD模拟和参数优化，可以找到最优设计方案，从而提高船舶的性能和效益。
5. 应用实例船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计已经在实际工程中得到广泛应用。
例如，在船舶船型设计阶段，工程师们利用CFD模拟技术对不同船型进行了性能比较和优化设计；在推进系统设计阶段，CFD模拟可以帮助确定最佳螺旋桨参数和布局方案；在船舶舵系统设计阶段，CFD模拟可以预测船舶的转向性能和操纵稳定性。
基于CFD方法的船舶水动力性能预报及优化CFD方法因其预报精度高、适用性广、计算结果稳定、可重复性高、成本低廉、周期短等优势,在各领域受到广泛关注。
CFD方法在船舶水动力学性能的研究中主要集中在三个方面:船舶水动力性能预报、船舶水动力问题机理研究以及船舶水动力性能优化。
本文使用CFD方法对船舶水动力性能预报、机理研究以及优化展开研究。
首先,对CFD基本原理进行阐述。
根据船舶水动力学问题的特点,详细叙述了控制方程、有限体积离散、边界条件、湍流模型等。
此外,对CFD不确定度分析展开研究。
提出一种可考虑因子间交互作用的多因子CFD不确定度分析方法,并使用该方法对船舶静水总阻力预报展开不确定度分析。
分析中包括网格尺寸、时间步长、网格形式和湍流模型四个因子。
该方法是对原方法方法改进而来,使用正交试验方法替代原方法中的控制变量法,可对各因子同时展开分析。
该方法中,各因子的不确定度分析同时展开,分析中考虑了各因子间的相互影响。
且由于各因子同步进行分析,解决了原方法中各因子独立分析时其他因子的参数设置依赖于经验的问题。
其次,使用CFD方法预报船舶水动力性能,包括船舶静水阻力、螺旋桨水动力性能、船舶操纵性及船舶耐波性等。
在船舶水动力性能预报的基础上,发挥CFD方法的优势,对三个特殊的船舶水动力问题的机理展开研究。
包括船舶航态对静水总阻力预报精度的影响、螺旋桨尺度效应问题以及四桨船内外桨载荷分布不均匀产生的原因。
对于船舶航态对静水总阻力预报精度的影响,对比了航态对过渡型船舶和排水型船舶的静水阻力预报精度的影响。
对于螺旋桨尺度效应问题,使用全相似方法对螺旋桨尺度效应问题进行分析,结果表明在全相似条件下,模型尺度和实尺度螺旋桨的尺度效应基本消除。
在对四桨船内外桨载荷分布不均匀性问题的研究中,发现螺旋桨周围流场存在3个区域:尾流区、加速区和减速区。
尾流区为螺旋桨正后方(桨盘范围内)区域,该区域内流体流速极大。
布置在此区域内的螺旋桨载荷将大幅减小。
基于cfd技术的水翼船升力水翼数值模拟与优化设计水翼船作为一种新型的船舶设计，其独特的水翼结构使其能够在航行中获得更高的速度和更好的稳定性。
而水翼船的升力水翼设计在其性能中起着至关重要的作用。
本文将基于计算流体动力学（CFD）技术，对水翼船的升力水翼进行数值模拟与优化设计研究。
首先，我们将建立水翼船的数值模型，包括船体和水翼结构。
随后，我们将利用CFD软件对水翼船在不同航速下的流场进行模拟。
通过对流场的分析，我们可以获得水翼船在不同情况下的升力分布、阻力分布以及船体受力情况。
这些数据将为水翼船的优化设计提供重要的依据。
在获得了水翼船的流场数据后，我们将对水翼结构进行优化设计。
通过调整水翼的形状、数量、位置以及倾角等参数，我们可以使水翼船获得更高的升力系数，从而提高其航行速度和稳定性。
同时，我们还将考虑水翼结构的制造成本和可行性，以期实现水翼船的经济实用性。
接着，我们将对优化后的水翼结构进行数值模拟。
通过比较优化前后的流场数据，我们可以评估水翼船的性能改进效果。
在优化设计的基础上，我们还将进行多工况的仿真分析，以验证水翼船在不同情况下的性能表现。
这些分析结果将为我们提供更准确的水翼船性能评估和优化设计方向。
最后，我们将对数值模拟和优化设计的结果进行总结和分析。
通过比较不同设计方案的性能表现，我们可以得出最佳的水翼船升力水翼设计方案。
同时，我们还将探讨水翼船的优化设计对其航行性能和经济性的影响，为水翼船的实际应用提供参考和指导。
综上所述，基于CFD技术的水翼船升力水翼数值模拟与优化设计是一项具有重要意义的研究。
通过该研究，我们可以为水翼船的性能提升和设计优化提供技术支持，推动水翼船的发展和应用。
相信随着这一研究的深入和完善，水翼船一定能够成为未来船舶领域的重要发展方向。
CFD软件在船舶设计分析中的应用研究前言船舶作为人类的一个重要交通工具，在我们的生活中扮演了至关重要的角色。
为了提高航行效率、安全性、降低船舶对环境的影响，船舶设计必须依据实际环境条件、目标要求和船体结构性能进行科学和合理的设计和分析。
随着计算流体力学（CFD）技术的不断发展，它在船舶设计和分析中发挥着越来越重要的作用。
本文将探讨CFD软件在船舶设计分析中的应用研究。
船舶水动力学分析在进行船舶设计分析之前，必须了解船舶水动力学。
船舶水动力学是研究船舶在水中运动的科学，包括船体的稳性、航行性能、防波性能、划水阻力等。
在这方面，CFD技术的应用可以有效的提供关于船舶水动力学的相关信息。
通过整合CFD软件可以对阻力、波浪、气泡等数据进行计算。
船舶阻力计算船舶阻力是衡量船舶耗能的关键指标，尽可能减少船舶阻力将直接影响航行的经济性。
CFD软件可以模拟船舶的流体力学现象并精确计算船舶的阻力大小。
通过计算船舶的运动和周围环境之间的相互作用，可以得出准确的阻力数值，这将有助于船舶工程师优化设计，使船舶的运动更加高效。
船舶波浪计算随着海运业的发展，波浪成为解决海上航行安全问题的重要因素。
波浪计算也是现代船舶设计的一个重要领域。
CFD软件可以模拟船舶在内部液体中的运动和流动，得出准确的波浪信息。
这有助于船舶工程师了解波浪特征，为下一次设计提供有用的信息。
例如，在使用CFD技术为一辆快艇设计螺旋桨和舵时，人们可以使用CFD软件测试模型，以确定船速、波浪和其他因素如何影响舵和螺旋桨的运动。
船舶气泡计算气泡是船舶运动时的另一个重要因素。
当一个船体在水中行驶时，水中相应的压力不断变化，导致水中气体的产生。
这些气泡对船体的运动和穿梭效率产生影响。
使用CFD模拟，可以实现对船体中气泡的有效计算，这有助于船舶工程师了解船体中气泡的附加负荷，以此优化船舶设计，减少气泡应力对船舶性能的影响。
结构分析及优化设计船舶的设计不仅考虑船体外部，还需要考虑船体内部结构的优化设计以及在实际操作中的实现。
基于CFD的船型优化及节能附体研究在当今能源危机和经济危机的状况下,船东们迫切希望对已有船型进行优化来减小船舶阻力和提高船舶推进效率,降低日常运营成本。
如何评估一个已知船型的阻力性能对于船型优化优化来说是十分重要的,船舶工程界也一直努力研究如何更加精确的预报船舶阻力。
近年来,对船舶节能附体的研究十分火热,对肥大型船只安装船舶节能附体是一种简单有效的节能措施。
本文是以一艘肥大型低速船舶为例,以减小船体阻力和提高船桨推进效率为目的,开展局部船型优化和船体附加节能附体的可行性研究。
应用商用CFD软件对船体阻力和船体粘性绕流场进行模拟计算,预报船体阻力等性能,通过比较计算结果选择最优方案进行船模试验,证明CFD数值模拟计算的可靠性,为该类型船的船型优化及建造提供参考意见。
本文使用商业软件CATIA来建立船体几何模型。
然后使用前处理软件ICEM对计算域进行网格划分,船体计算域内采用多块结构性网格,对靠近船体外壳的边界层进行网格加密,提高模拟计算精度。
本文首先对某船在设计吃水6.9m状态下的船舶阻力进行CFD数值模拟计算,将计算结果与同状态船模试验结果对比后得出结论,选用SST k-ω湍流模型,来模拟计算原设计船型的船体绕流场,船体阻力计算结果与试验结果误差在3%以内,验证了用CFD数值模拟计算的方法来预报船体阻力的精度很高。
本文然后研究了肥大型船舶的阻力成分及减阻思路,分别对某船的球鼻艏、船体首部型线和船体尾部型线进行型线优化,反复对各种优化方案进行CFD数值计算,结论是选用原球鼻艏形状的同时优化首部线型和改变尾部型线后的新船型的减阻效果很好,在实船航速2kn到15kn的减阻效果达到4%以上,实船航速越高,减阻效果越明显。
并对改型船舶进行船模试验验证,证明CFD计算结果误差在2%以内。
本文接着分析了改型船舶的船型特点,为了达到提高推进效率的目的,确定了改型船型附加前置伴流补偿导管的方案,经过CFD数值模拟计算,从螺旋桨盘面处伴流分布图上清楚的看出前置导管成功的改善了船体尾流场,从尾部流线图清楚的看到前置导管减弱了舭涡的影响。
船舶流体动力学研究的前沿进展船舶在海洋中航行，其性能和效率受到流体动力学的深刻影响。
船舶流体动力学是一门研究船舶在流体（主要是水）中运动时所受到的力和流动现象的科学，对于船舶的设计、优化和运行具有至关重要的意义。
近年来，随着计算机技术的飞速发展、实验技术的不断创新以及理论研究的深入推进，船舶流体动力学研究取得了一系列令人瞩目的前沿进展。
一、计算流体动力学（CFD）技术的突破计算流体动力学在船舶流体动力学研究中扮演着越来越重要的角色。
过去，由于计算能力的限制和数值模型的不完善，CFD 技术在复杂流动的模拟中存在较大的误差。
然而，如今随着超级计算机的出现和数值算法的改进，CFD 能够更加精确地模拟船舶周围的流场。
高精度数值格式的应用使得计算结果的准确性大大提高。
例如，采用高阶有限体积法或有限差分法，可以更准确地捕捉流场中的细微结构和漩涡。
同时，多相流模型的发展也使得对船舶在不同介质（如空气和水）中的运动模拟更加真实。
此外，并行计算技术的广泛应用显著缩短了计算时间，使得大规模的船舶流场模拟成为可能。
通过将计算任务分配到多个处理器上同时进行，可以在较短的时间内获得详细的流场信息，为船舶设计提供及时有效的参考。
二、实验技术的创新实验研究一直是船舶流体动力学的重要手段之一。
近年来，实验技术不断创新，为深入理解船舶流体动力学现象提供了更加可靠的数据。
粒子图像测速（PIV）技术的发展使得对船舶周围流场的瞬时速度分布测量更加精确。
通过在流场中注入微小的示踪粒子，并使用激光照明和高速相机拍摄，能够获取流场中微小区域的速度矢量，从而揭示流动的细节和漩涡的演化过程。
压力敏感涂料（PSP）技术则可以测量船舶表面的压力分布。
这种技术通过在船舶表面涂覆特殊的涂料，其发光强度与表面压力相关，从而可以通过光学测量得到压力分布情况，为优化船舶外形提供了重要依据。
此外，水槽和水池实验设施的不断改进也提高了实验的准确性和可重复性。
例如，采用更加先进的造波机和消波装置，可以模拟更加真实的海洋环境条件，为船舶在波浪中的性能研究提供更好的实验平台。
第14卷第7期船舶力学Vol.14No.7 2010年7月Journal of Ship Mechanics Jul.2010文章编号：1007-7294（2010）07-0812-10基于CFD的船型优化设计研究进展综述赵峰1，李胜忠1，杨磊1，刘卉2（1中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2中国舰船研究院，北京100192）摘要：随着计算机技术的飞速发展以及最优化理论的不断完善，最优化技术已被引入船舶设计领域，并与先进的CFD技术成功结合，发展形成了崭新的SBD（Simulation Based Design）技术，该技术为船型优化设计和构型船型打开了新的局面，在国际船舶研究设计领域引起了广泛的关注。
文中对船舶领域中的SBD技术的基本内涵及其所包含的主要关键技术进行了阐述和总结，同时对国内外该研究方向的发展现状与趋势进行了分析和评述。
关键词：船型优化设计；CFD；SBD技术；船体几何自动重构；优化技术；近似技术中图分类号：U662.9文献标识码：AAn overview on the design optimization ofship hull based on CFD techniquesZHAO Feng1,LI Sheng-zhong1,YANG Lei1,LIU Hui2(1China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China;2China Ship Research and Development Academy,Beijing100192,China)Abstract：Optimization algorithms and CFD techniques are combined together into what is known as Sim-ulation-Based Design(SBD)techniques.A worldwide attention was concentrated since the SBD presented. In this paper,essential connotation and crucial techniques of the SBD in the naval hydrodynamic context are reviewed.And then,the domestic and international research work and recent progress are introduced.Finally, the developing trends on the design optimization of ship hulls based on CFD techniques are unscrambled. Key words:ship hull design optimization;CFD;SBD;hull geometry automatic modification;optimization techniques;approximation techniques1引言船体型线设计是一门复杂的综合性技术，是船舶总体设计中的一个核心环节，设计水平和能力对船舶综合航行性能、经济绩效和产品竞争力都具有重要影响，也是促进船舶工业发展和实现船舶创新设计需求中亟待解决的关键技术问题。
目前，国内外常用的船型设计方法，通常是根据母型船型线、船模系列试验资料，按照某种规则对型线加以修改而得到，之后制作船模，进行模型试验验证。
这类传统设计模式（见图1），强烈地依赖于造船工程师的设计经验和型线数据库，而且这种经验设计和估算校核的工作要经过多次反复才能得到比较符合要求的设计方案，成本高，设计周期长，尽管如此，做出的设计方案也只是满足设计技术指标的可行方案而非最优设计方案。
收稿日期：2010-04-08作者简介：赵峰（1964-），男，中国船舶科学研究中心研究员。
随着计算机技术的飞速发展和计算数学理论的不断完善，计算流体力学CFD 得到了蓬勃发展，评估能力显著增强，已逐步迈向实用化，并全面融入设计进程，但目前大多还局限于对给定船型的流体动力特性进行计算和预报（正问题），只是部分替代和减少模型试验，而没有将CFD 技术系统地融入优化设计过程（逆问题），并使之能达到启发设计师创新思想的目的。
如何进一步发挥CFD 在工程设计优化中的作用，促使工程设计从传统经验设计模式向知识化设计模式的转变，成为当前CFD 技术应用研究的一个重点[1]。
将最优化技术引入船舶设计领域，并与先进的CFD 技术成功结合，发展形成的SBD 技术[2]使得船型知识化设计模式成为一种可能。
该技术是将CFD 技术和最优化技术直接应用于新型船舶的设计，其原理见图2：通过利用CFD 对设定的优化目标（船舶水动力性能）进行数值计算，同时利用最优化技术和几何重构技术对船型设计空间进行探索，最终获得给定约束条件下的性能最优的船体外形。
SBD 技术为船型优化设计和构型船型打开了新的局面，并在国际船舶研究设计领域引起了广泛的关注，该项技术发展动态，对船型技术的发展将可能是一项革命性的技术推动。
其意义主要体现在以下三个方面：（1）推动船型设计从传统经验模式向基于先进数值评估理论的知识化模式迈进；（2）突破传统CFD 优化技术—选优/优选，使CFD 技术系统地融入设计优化过程，加快推进已有的CFD 技术在工程设计中的应用；（3）从“正问题”到“逆问题”，实现以性能驱动设计的目标，进而提高船型创新设计水平,增强我国造船业的国际竞争力。
本文对船舶设计领域中的SBD 技术—基于CFD 的船型优化设计的研究进展和发展趋势进行了较为详细的介绍和评述。
首先，对基于CFD 的船型优化设计的内涵及其主要关键技术进行了阐述和总结；之后，对国外该研究方向的发展现状与趋势进行了分析和评述，最后对国内的研究现状和存在的问题进行了总结。
2基于CFD 的船型优化设计的基本内涵从数学的观点来看，基于CFD 的船型优化设计实际上是求解一个最优化问题。
最优化问题的数学模型[3]如下：min f x S .T .g x ≥0;x ∈D(1)式中f x 是优化问题的目标函数；g x 为约束函数；x 为设计变量；集合D 为问题的可行域，也称为设计空间；可行域中的点为可行点，其所对应的目标函数值为可行解。
从最优化问题的定义可以看出，最优化包括三个基本要素：目标函数，设计变量，约束条件。
对于基于CFD 的船型优化设计问题来说，目标函数f x 是船舶的水动力性能（如阻力、尾流场品质和适航性能等等）；设计变量x 是能够表达船体几何的参数；约束条件g x 是船体几何外形的限制条件（如排水体积）。
显然，该优化问题的目标函数与设计变量之间不能用简单的数学关系式进行表达，它们之间的第7期赵峰等：基于CFD 的船型优化设计…813图3基于CFD 船型优化设计问题的内涵Fig.3The connotation of design optimization of ship hull based on CFD函数关系是未知的、隐式的；那么如何通过已知的设计变量（表达船体几何的参数）计算目标函数（船舶的水动力性能）的值呢？CFD 数值模拟方法成为计算该隐式函数值的一种快速、高效的途径，见图3。
基于CFD 船型优化设计问题的数学模型通过CFD 数值计算方法建立起来后，需要对该优化问题进行求解，求解方法包括各种优化算法，如基于梯度算法、随机搜索算法等。
通过对该优化问题的求解能够获得给定约束条件下的具有最优水动力性能的船型。
当然，要获得该优化问题的最优解，还要解决船体几何的参数化表达与重构问题，以及优化过程中CFD 数值计算带来的响应时长与计算费用问题。
以上是从最优化理论的观点出发，论述基于CFD 的船型优化设计的基本内涵，值得说明的是，本文所述的船型优化是基于最优化理论的，而非传统船型设计过程中的“优选”或“选优”。
3基于CFD 的船型优化设计中的关键技术从基于CFD 的船型优化设计的内涵可以看出，要实现基于CFD 的船型优化设计主要需要解决以下四个方面的关键技术问题：（1）CFD 数值分析技术。
该技术是建立船型优化设计问题的数学模型的基础；（2）船体几何自动重构技术（Hull Geometry Automatic Modification Techniques ）。
该技术是实现基于CFD 的船型优化设计的前提条件。
在船型优化过程中，设计变量将依据优化算法做相应的调整，而设计变量的调整将体现在船型几何外形的变化上，如何用尽可能少的设计变量的变化，获得范围尽可能广的几何设计空间（尽可能多的不同船型几何），是船体几何重构技术追求的一个目标，当然也是形状优化设计中的一个难点；（3）最优化技术（Optimization Techniques ）。
该技术是求解船型设计问题的主要方法和必要手段。
采用何种优化算法使其能够在优化问题的设计空间内快速、准确地搜索到最优解，是船型优化设计研究的一个重点；（4）近似技术（Approximation Techniques ）。
该技术解决在优化过程中由高精度CFD 求解器带来的响应时长、计算费用等问题，它是将“基于CFD 的船型优化设计”应用于实际工程设计的有效途径。
以上关键技术中，CFD 数值分析技术和最优化技术目前已发展得相对较为成熟，并广泛应用于各个工程领域，本文在此不做详细介绍，只对当前船型几何自动重构技术和近似技术的发展现状做简要的介绍和总结。
3.1船体几何自动重构技术船体几何自动重构需要遵从以下原则[4]：（1）保证船体几何重构后的光顺性。
如果重构几何是船体的一部分，则修改后的几何与初始几何在交接处应该连续，即光顺；（2）设计变量的数量应该尽可能少，但对于复杂的船体几何而言，往往很难做到；（3）为了能够探索更广范围的可行解区域，船体几何重构方法应该有尽可能好的适应性。
目前，基于CFD 的船型优化设计所采用的船体几何重构方法主要有以下几种：814船舶力学第14卷第1期图5参数模型方法的应用Fig.5The application of parametric modeling approach图4叠加调和方法Fig.4Morphing approach（1）叠加调和方法（Morphing Approach ）叠加调和方法是通过对已知的两个或多个归一化后的初始船型进行线性叠加，通过调节叠加系数来实现船体几何重构。
如图4所示（ωi 为叠加系数，ω1+ω2=1）。
叠加调和几何重构方法在基于CFD 的船型优化设计中有所应用。
