劉英良

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

超大型集裝箱船多工況點(diǎn)的最佳方形系數(shù)范圍探索

劉英良

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

近年來，世界對(duì)超大型集裝箱船多工況點(diǎn)兼顧的優(yōu)化設(shè)計(jì)越來越重視。文中采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式、運(yùn)用CFD手段，結(jié)合實(shí)際營運(yùn)工況曲線對(duì)超大型集裝箱船線型進(jìn)行多工況點(diǎn)阻力性能計(jì)算，引入每箱每海里油耗指數(shù)J，定量評(píng)估、探索最佳CB范圍，最終提出具有參考價(jià)值和推廣意義的多工況技術(shù)指標(biāo)拆解方法和分析流程。

超大型集裝箱船；方形系數(shù)；多工況點(diǎn)優(yōu)化

引 言

超大型集裝箱船是近幾年來研究的熱點(diǎn)，本世紀(jì)以來，世界海運(yùn)集裝箱容量平均以每年11%的速度增長(zhǎng)，而集裝箱船的數(shù)量增長(zhǎng)率只不過6%，這意味著集裝箱船正朝著大型化方向迅速發(fā)展。

2008年金融危機(jī)以來，節(jié)能減排以及船舶市場(chǎng)的持續(xù)低迷，使超大型集裝箱船市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。大型集裝箱船的實(shí)際營運(yùn)工況隨著載貨情況和航線等的變化，其變化范圍非常大。以歐美航線的統(tǒng)計(jì)值為例，載貨工況的載重量平均為0.65～0.70最大載重噸，航行工況主機(jī)運(yùn)行功率(不包括進(jìn)出港)約 為50%SMCR(Specified Maximum Continuous Rate，最大持續(xù)功率)。為了進(jìn)一步節(jié)省營運(yùn)中的燃油消耗，船東由以往只關(guān)注合同航速下的單點(diǎn)性能擴(kuò)展到了同時(shí)關(guān)注多個(gè)航速點(diǎn)、多個(gè)吃水，即所謂的船舶營運(yùn)工況曲線（Operation Profiles）的性能。

以往的集裝箱船一般為中高航速為主，CB比較?。蝗缃?，集裝箱船市場(chǎng)正朝著大型化、中低速化發(fā)展，CB也隨之變大。本文對(duì)超大型集裝箱船的線型進(jìn)行了最佳CB范圍探索，提出了多點(diǎn)工況兼顧的優(yōu)化思路和分析流程，可為工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 超大型集裝箱船最佳CB范圍研究

傳統(tǒng)的集裝箱船航速較高，CB范圍一般比較小，隨著航速的降低，最佳CB值會(huì)增加，同時(shí)CB的增大也會(huì)使艙內(nèi)箱位增加，從而提高了船的載箱能力。對(duì)于超大型集裝箱船，100%的裝箱率是很少見的，通常只有70～80%，本文選取實(shí)際吃水14 t的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱船的實(shí)箱數(shù)目作為其裝箱量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于最優(yōu)CB范圍的探討，根據(jù)阻力計(jì)算結(jié)果換算得到收到功率PD，從而得出每個(gè)集裝箱每海里航行的油耗指數(shù)，記為參數(shù)J，并將參數(shù)J作為主要船型經(jīng)濟(jì)性能評(píng)估依據(jù)。

1.1 母型船主要特征及多工況點(diǎn)兼顧評(píng)估方法

1.1.1 母型船主要特征

本文選取某大型集裝箱船為母型，其方形系數(shù)CB值約0.705，長(zhǎng)寬比L/B值約5.878，寬度吃水比值約3.44，設(shè)計(jì)航速對(duì)應(yīng)的傅氏數(shù)約為0.21，屬于中高速船型。該船設(shè)計(jì)之初主要在設(shè)計(jì)航速區(qū)段進(jìn)行了線型優(yōu)化，故其設(shè)計(jì)航速附近阻力性能良好。

圖1 母型船三維圖示

圖2 母型船特征

通過線型變換軟件GMS和NAPA對(duì)該船線型進(jìn)行調(diào)整變換，共得到18個(gè)改型方案。為避免其他因素的影響，所改方案的主要線型特征基本不變，主要改動(dòng)方式為基于CB的均勻變換，其方形系數(shù)范圍主要在0.600～0.730間分布。

1.1.2 多工況點(diǎn)兼顧的優(yōu)化策略

圖3是一個(gè)典型的船舶營運(yùn)工況曲線，不同工況下的運(yùn)營時(shí)間比率作為該工況的權(quán)數(shù)，通過每個(gè)工況下的阻力計(jì)算值加權(quán)得到該船型在特定營運(yùn)工況曲線下的綜合阻力性能，從而以此為依據(jù)來評(píng)價(jià)船型阻力優(yōu)劣。本文主要考察了V1～V4共四個(gè)航速以及T1、T2兩個(gè)吃水下的阻力性能。為了便于推廣，給出V1～V4對(duì)應(yīng)的傅氏數(shù)Fr值：

圖3 典型的營運(yùn)工況曲線

表1 考察航速對(duì)應(yīng)的傅氏數(shù)

1.2 Holtrop法初步估算

由于線型方案以及計(jì)算工況較多，故首先采用統(tǒng)計(jì)分析方法Holtrop法進(jìn)行初步計(jì)算，篩選出阻力性能較優(yōu)的方案。需要說明的是，Holtrop法是一種統(tǒng)計(jì)回歸方法，不能反映線型細(xì)節(jié)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。該方法是對(duì)1978年根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料（300多艘單槳貨船）回歸分析得出的經(jīng)驗(yàn)公式，其Fr數(shù)范圍限定為中低速船和部分高速船（Fr＜0.45）。船型尺度比和系數(shù)范圍如下：

CP：0.55～0.85； LWL/B：3.90～9.50； B/T：2.10～4.00。

該方法適用絕大部分中低速船，但是由于年代較久，故根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)考慮作了一定程度的修正。本文使用Holtrop法程序計(jì)算得到19個(gè)線型各8個(gè)工況的PD值，然后計(jì)算出每集裝箱每海里航行的油耗指數(shù)J，J的計(jì)算公式如下：

式中：PD為收到功率，kW；TEU為實(shí)際吃水14 t的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱船實(shí)箱數(shù)；V為該工況下的航速值，kn。19個(gè)線型方案主尺度和主要線型特征基本沒變，CB均勻變換，得到線型的裝箱數(shù)也會(huì)相應(yīng)有所調(diào)整。

表2 Holtrop法計(jì)算結(jié)果

表2為Holtrop法得出的J值，根據(jù)航行時(shí)間比率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)，得到J_SUM綜合指標(biāo)，每箱每海里的油耗指數(shù)越小，代表該船型經(jīng)濟(jì)性能越好。從表2挑選J_SUM值較小的四個(gè)線型CB8、CB9、CB10、CB11詳細(xì)進(jìn)行CFD計(jì)算評(píng)估。

1.3 CFD計(jì)算評(píng)估

本節(jié)使用船舶阻力計(jì)算軟件Shipflow求解總阻力。為驗(yàn)證軟件仿真的準(zhǔn)確性，首先使用Shipflow軟件計(jì)算母型船總阻力值并與船模試驗(yàn)值對(duì)比。

由表3可以看出，使用Shipflow軟件計(jì)算出的阻力系數(shù)和船模試驗(yàn)結(jié)果比較接近，誤差在5%以內(nèi)。以此為基礎(chǔ)，計(jì)算CB8～CB11四個(gè)線型各4個(gè)代表工況的總阻力值，假定4個(gè)線型的推進(jìn)效率都相等，得到如下?lián)Q算為J值的結(jié)果，J_SUM根據(jù)航行時(shí)間比率加權(quán)計(jì)算得到。

表3 軟件計(jì)算準(zhǔn)確性驗(yàn)證

根據(jù)表4的結(jié)果，我們可以看出CB9的J_SUM值最小。

由圖4可以看出，CB8的J指數(shù)曲線比另外三條曲線更高，代表其經(jīng)濟(jì)性能略差。CB9、CB10、CB11的三條曲線在V3速度點(diǎn)附近相交，CB9在低速段J值較小。綜合J_SUM值來看，CB9經(jīng)濟(jì)性最好，從而推知，基于每箱每海里油耗指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)的方形系數(shù)CB在0.680～0.690范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性能較好。

表4 CFD計(jì)算換算結(jié)果

圖4 CFD計(jì)算結(jié)果/每箱每海里油耗指數(shù) J 值曲線

2 結(jié) 論

對(duì)于集裝箱船來說，單點(diǎn)優(yōu)化已經(jīng)不能滿足其使用性能。為了更多節(jié)省營運(yùn)中的燃油消耗，多工況點(diǎn)兼顧的優(yōu)化愈顯重要。最優(yōu)方形系數(shù)CB范圍的研究在國內(nèi)外船舶設(shè)計(jì)中較多，但是多工況點(diǎn)兼顧進(jìn)行綜合優(yōu)化的方法卻很少見。

本文對(duì)超大型集裝箱船結(jié)合營運(yùn)工況曲線進(jìn)行多工況點(diǎn)的優(yōu)化，同時(shí)引入每箱每海里油耗指數(shù)J作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量分析，從而得到一般超大型集裝箱船的最佳CB范圍。影響最佳CB范圍的因素和指標(biāo)較多，本文以每箱每海里油耗指標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)論雖然有一定局限性，但是文中提到的多工況技術(shù)指標(biāo)的拆解和分析流程卻具有較好的參考和推廣意義。

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On optimized block coeff i cient range for ultra large container vessels under multiple operating points

LIU Ying-liang

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

In recent years, more and more attention is paid to the multi-operating-point optimization design for ultra large container vessels. By combining the traditional empirical formula with CFD tools, this paper carries out the multi-operating-point resistance evaluation of ultra large container vessels together with actual operation profile to find the optimized CBrange. Finally, it puts forward the index decomposition method by the multioperating technique and analysis flow, which has reference and promotion value.

ultra large container vessel; block coefficient CB; multi-operating-point optimization

U661.31

A

1001-9855（2014）01-0021-04

2013-10-29；

2013-11-11

劉英良（1988-），男，碩士在讀，主要從事艦船總體設(shè)計(jì)與研究工作。