王艷霞，左成魁, 王 杉，陳京普

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011;2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082;3.中海工業(yè)(江蘇)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225221)

波浪增阻計(jì)算方法在船體型線優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王艷霞1,2，左成魁3, 王 杉1,2，陳京普1,2

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011;2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082;3.中海工業(yè)(江蘇)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225221)

介紹MEPC65次會議中國提交的波浪增阻計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于某油船的型線優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中，比較分析計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為該計(jì)算方法用于指導(dǎo)風(fēng)浪中的型線優(yōu)化工作是行之有效的。

EEDI；風(fēng)浪；型線優(yōu)化；增阻

就綠色船舶而言，最大的挑戰(zhàn)是如何改善船體流體性能，降低燃油油耗。傳統(tǒng)上的船體優(yōu)化主要以靜水中的油耗最小為目標(biāo)[1-2]，但對于低速肥大型船(如VLCC)，傳統(tǒng)的優(yōu)化做法會導(dǎo)致鈍球艏的產(chǎn)生，而鈍球艏最大的缺點(diǎn)就是波浪增阻非常高。近幾年越來越多的計(jì)算方法被用于計(jì)算船體風(fēng)浪航行中的波浪增阻，2013年召開的海洋環(huán)境保護(hù)委員會第65次會議(簡稱"MEPC65")上中方提出了一種新的波浪增阻計(jì)算方法[3-4]，用于計(jì)算典型海況下船舶失速系數(shù)——EEDI(energy efficiency design index)。

考慮到真實(shí)海況并非風(fēng)平浪靜，為了進(jìn)一步降低船舶航行過程中的油耗，考慮風(fēng)浪中阻力增加的船體型線優(yōu)化設(shè)計(jì)研究得到了充分關(guān)注。在此過程中，將波浪增阻研究成果應(yīng)用于船型設(shè)計(jì)已得到初步探索[5-7]。

本文簡要介紹MEPC65次會議中國提交的波浪增阻計(jì)算方法(MEPC65/4/11)。為了驗(yàn)證該方法是否可以用于指導(dǎo)波浪中的線型優(yōu)化工作，選取某油船為研究對象，采用數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合的手段，討論風(fēng)浪中阻力增加的船體型線優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 波浪增阻理論計(jì)算模型

1.1 規(guī)則波中增阻

船舶在規(guī)則波中阻力增值(Rwave)可以由水池模型試驗(yàn)或者數(shù)值模擬方法，或者兩者結(jié)合的方法確定。采用數(shù)值方法時(shí)，Rwave主要由兩部分組成：船舶運(yùn)動引起的阻力增值(Rwm)和波浪反射引起的阻力增值(Rwr)。規(guī)則波的波浪增阻傳遞函數(shù)Kaw的計(jì)算公式如下。

Rwave=Rwm+Rwr

(1)

(2)

式中：ρ——流體密度；

g——重力加速度；

ζa——入射波波幅；

B——船寬。

1)在STF切片法計(jì)算船舶運(yùn)動的基礎(chǔ)上，采用Gerritsma 和Beuckman[8]輻射能法計(jì)算船舶運(yùn)動引起的增阻Rwm。

2)采用文獻(xiàn)[9]計(jì)算Rwr。

式中：αd——計(jì)入有限吃水頻率效應(yīng)的系數(shù)；

ω——入射波圓頻率；

V——船速；

a,b,c——鈍型系數(shù)，由水線形狀決定。

1.2 不規(guī)則波中波浪增阻ΔRwave

不規(guī)則波可以看成規(guī)則波的線性疊加，所以不規(guī)則波中波浪增阻ΔRwave可以通過頻率譜Sζ以及規(guī)則波中增阻Rwave進(jìn)行線性疊加得到。

2 線型優(yōu)化設(shè)計(jì)

選取某油船為低速肥大型船的典型代表，以其為研究對象，以蒲氏六級海況中的波浪增阻為目標(biāo)函數(shù)，對其艏部線型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該油船的LPP/B、B/T和Cb分別為5.39、2.67和0.813。

線型優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，保持艉部線型不變，主要改變艏部吃水附近的線型。水線面線型變化見圖1。圖1中標(biāo)注了各方案水線艏端半進(jìn)角。從水線長角度看，線型1方案最短，線型2、線型3和線型5方案最長，線型4方案居中。從水線艏端半進(jìn)角來看，線型3、線型4和線型5這3個方案較接近，均在50°～52°附近，艏端形狀接近直線；而線型1和線型2方案較接近，在67°～70°附近，艏端形狀較豐滿。從整個水線進(jìn)流段豐滿度看，線型5最瘦削，其他方案相當(dāng)。

圖1 艏部設(shè)計(jì)吃水處水線

為了保持線型的光順，艏部設(shè)計(jì)水線形狀的改變必然引起設(shè)計(jì)吃水附近線型的變化，排水體積和濕表面積也會相應(yīng)變化。表1是各線型方案主參數(shù)對比。下標(biāo)注“0”表示線型1方案，S、▽和Cb代表濕表面積、排水體積和方形系數(shù)。可以看出，與線型1方案相比，其它方案的排水體積和濕表面積均有所減小，前者減小量在0.3%以內(nèi)，后者減小量在1%以內(nèi)。

表1 各線型方案主參數(shù)對比

3 計(jì)算結(jié)果分析

對5個設(shè)計(jì)方案進(jìn)行性能評估。風(fēng)浪中波浪增阻的計(jì)算采用文中介紹的方法。計(jì)算輸入?yún)?shù)見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)

3.1 規(guī)則波中的波浪增阻傳遞函數(shù)

規(guī)則波波浪增阻傳遞函數(shù)對比見圖2。

圖2 規(guī)則波中波浪增阻傳遞函數(shù)對比(MEPC65/4/11計(jì)算方法)

由圖2可見計(jì)算結(jié)果存在以下規(guī)律。

1)在λ/LPP=1.0附近，5個方案的波浪增阻傳遞函數(shù)均達(dá)到峰值。比較5個方案的峰值可知，線型1最小，接著依次是線型2、線型3、線型4，而線型5最大。

2)對于短波區(qū)域(λ/LPP<0.5)，其數(shù)值約為峰值大小的1/2。5個方案中，線型1最大，接著依次是線型2、線型3、線型4，而線型5最小。短波區(qū)域的數(shù)值規(guī)律與峰值處正好相反。

3)對于長波區(qū)域(λ/LPP>2)，5個方案對應(yīng)的波浪增阻傳遞函數(shù)幾乎相等。

4)圖2表明，波浪增阻傳遞函數(shù)的峰值隨航速的增大而增大。

3.2 不規(guī)則波中的波浪增阻對比分析

基于以上規(guī)則波中的研究結(jié)果，采用ITTC(1978)推薦雙參數(shù)波浪譜，計(jì)算得到5個線型方案的不規(guī)則波中的波浪增阻ΔRwave，見表3。

表3 波浪增阻ΔRwave相對變化數(shù)值結(jié)果對比 %

表3中的波浪增阻相對變化均是相對于線型1的變化，“-”代表下降。對比可知：相對于線型1產(chǎn)生的波浪增阻值，在計(jì)算航速范圍內(nèi)(10.5～ 15.5 kn)，線型2下降5%～10%，線型3下降17%～20%，線型4下降21%～23%，線型5下降約31%～35%。結(jié)合圖2可知，雖然在λ/LPP=1.0附近線型5的波浪增阻傳遞函數(shù)最大，但短波部分線型5最小，最終線型5的波浪增阻值最小。

3.3 水池模型試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證波浪增阻計(jì)算方法指導(dǎo)線型優(yōu)化的有效性，選取線型1和線型5兩個方案在702所01拖曳水池開展波浪增阻模型試驗(yàn)驗(yàn)證。該水池主尺度為474 m×14 m×7 m(水深)，在水池一端布置了搖板式造波機(jī)，可模擬一定范圍內(nèi)的規(guī)則波。兩艘船均為玻璃鋼船模。試驗(yàn)中,規(guī)則波波高約為1/50模型垂線間長，波長船長比范圍是0.2～2.0。

結(jié)構(gòu)吃水試驗(yàn)航速范圍為10.0～15.5 kn。

模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算得到的線型5與線型1的ΔRwave相對變化對比見表4。

表4 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)比較

由表4可見，針對兩個不同線型，文中所采用的波浪增阻計(jì)算方法得到10.5、13.0 kn時(shí)波浪增阻分別下降31%、33%，對應(yīng)的模型試驗(yàn)結(jié)果分別下降29%、30%。兩者從定性上是一致的，定量上波浪增阻改善程度也非常接近，能夠很好地滿足工程應(yīng)用的需要。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的吻合，在一定程度上表明該方法應(yīng)用于考慮風(fēng)浪中阻力增加的船體線型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中是可行的，但其普適性仍需要更多船型的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1)采用文中方法計(jì)算波浪增阻時(shí)，各個優(yōu)化線型的波浪增阻傳遞函數(shù)在短波區(qū)域低于初始線型，在λ/LPP=1.0附近均比初始線型高，在長波段各個方案差異較小。

2)優(yōu)化線型之間波浪增阻相對變化趨勢與短波區(qū)域內(nèi)波浪增阻傳遞函數(shù)的變化趨勢一致，這說明短波增阻對船舶的波浪增阻性能貢獻(xiàn)最大，這與文獻(xiàn)[8]結(jié)論一致。

3)文中采用的計(jì)算方法得到的波浪增阻變化趨勢與試驗(yàn)結(jié)果一致，波浪增阻的變化量與試驗(yàn)結(jié)果較接近，基本滿足工程實(shí)際需要。因此，該方法應(yīng)用于考慮風(fēng)浪中阻力增加的船體線型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中在一定程度上是可行的，但它的普適性仍需得到更多船型的驗(yàn)證；同時(shí)，多種波浪增阻計(jì)算方法在線型優(yōu)化中的應(yīng)用研究有待開展更多的比對和驗(yàn)證工作。

4)該波浪增阻計(jì)算方法可以識別優(yōu)化線型在波浪中性能的優(yōu)劣，這在一定程度上可大大節(jié)約試驗(yàn)成本、提高線型的優(yōu)化效率，為波浪中的線型優(yōu)化工作提供技術(shù)支持。

[1] 王艷霞,陳京普.基于CFD技術(shù)的工程船線型優(yōu)化研究[C]∥第十一屆全國水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨第二十四屆全國水動力學(xué)研討會論文集.全國水動力學(xué)研討會,2012，1060-1066.

[2] 程紅蓉,陳京普，王艷霞，等.幾種船型優(yōu)化手段在節(jié)能船型開發(fā)中的應(yīng)用[J].中國造船,2012，(S1)：31-39.[3] Marine environment protection committee.Considerations on the interim guidelines for the calculation of the coefficient fwor for decrease in ship speed in a representative sea condition[C].MEPC 65/4/11,2013.

[4] Marine environment protection committee. Draft alternative interim guidelines for the simulation for the coefficient fw for decrease in ship speed in a representative sea condition[C].MEPC 65/INF.21,2013.

[5] 張寶吉.基于靜水阻力和波浪增阻的全船線型優(yōu)化[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(10):32-35.

[6] Daniel Edward Nord?s.Optimization of bow shape of large slow ship[D].Norwegian University of Science and Technology,2012.[7] 王 杉,陳京普,魏錦芳,等.船舶CAD-CFD接口開發(fā)與應(yīng)用研究[J].船海工程,2014,43(2):35-38.

[8] GERRITSMA I J,BEUCKLMAN W.Analysis of the resistance increase in waves of a fast cargo ship[J].International shipbuilding Progress,1972,19(217):285-293.[9] WENYANG DUAN,CHUANQING LI.Estimation of Added Resistance for Large Blunt Ship in Waves[J].Journal Marine Sci.Appl.2013(12):1-12.

Application of Added Resistance Method in Ship Hull Form Optimization

WANG Yan-xia1,2, ZUO Cheng-kui3, WANG Shan1,2, CHEN Jing-pu1,2

(1 China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China;2 Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology, Wuxi Jiangsu 214082, China;3 China Shipping Industry (Jiangsu) Co. Ltd., Yangzhou Jiangsu 225221, China)

In order to further optimize the energy-consumption of ship, the ship lines optimization design is studied considering added resistance due to waves and winds. The calculation method of added resistance due to waves in MEPC65 is introduced, which is applied to optimize the lines of a crude oil tanker. The analysis results show that the calculation method is reliable and successful to direct the lines optimization study in waves and winds.

EEDI; waves and winds; lines optimization; added resistance

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.017

2014-08-19

工業(yè)和信息化部資助項(xiàng)目

王艷霞(1980-)，女，碩士，高級工程師

U662

A

1671-7953(2015)01-0068-04

修回日期：2014-09-02

研究方向:船舶概念設(shè)計(jì)

E-mail:wangyanxia@702sh.com