周 敏

(上海華潤大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

集裝箱船球鼻艏改型設(shè)計方法

周 敏

(上海華潤大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

文章利用CFD數(shù)值模擬仿真計算，對主動降速航行后的集裝箱船進行球鼻艏改型設(shè)計，并將計算結(jié)果通過船模試驗進行驗證，使船舶球鼻艏改型后的綜合阻力降低5%。

球鼻艏;改型；綜合阻力；CFD

為應(yīng)對長期低迷的航運市場以及國際社會節(jié)能減排要求，航運公司千方百計地降低已經(jīng)營運船舶的能耗，行之有效的方法之一是集裝箱船主動降速后進一步開展球鼻艏改型工程。

1 球鼻艏改型設(shè)計方法

1.1 CFD模擬計算簡介

影響船舶阻力的因素很多，原因也非常復(fù)雜,本文沒有考慮船舶縱傾調(diào)整[1]及其它因素對總阻力的影響，僅將船體在水平正浮狀態(tài)下航行時的綜合阻力作為單一設(shè)計指標。筆者將圍繞船體的流場劃分為不同的區(qū)域，針對不同區(qū)域采用相應(yīng)的CFD計算，獲得實船總阻力預(yù)測值[2]，最后通過船模試驗對CFD模擬計算結(jié)果精度進行驗證。如圖1。

圖1 船體周圍流場劃分及計算

以某型6 600 TEU集裝箱船為例，其總長為285.80 m，型寬為40.00 m，型深為24.60 m，設(shè)計吃水為12.00 m。首先需確定原球鼻艏的切割位置，為了節(jié)省改型成本，首次切口位置相對靠前，如圖2中切割線1所示。如圖3所示，將球鼻艏的長度、寬度、高度和形狀等設(shè)計參數(shù)在原球鼻艏線型基礎(chǔ)上按照步長沿X、Y、Z方向分別遞增或遞減形成新的球鼻艏特征參數(shù)，見表1。將原球鼻艏線型最前端向后9.00 m作為原始球鼻艏長度，新球鼻艏長度Xb在7.0～11.00 m的范圍內(nèi)以0.50 m的長度變化；原球鼻艏線型最前端處的高度值為11.54 m，新球鼻艏最前端的高度值Zb在10.40～12.00 m范圍內(nèi)以0.20 m的長度變化；特定橫剖面處距基線某高度處的球鼻艏線型班半寬值為Y1、Y2，原球鼻艏線型的Y1、Y2值設(shè)為0，新球鼻艏的Y1、Y2值的范圍在-1.00～+1.00的范圍內(nèi)以0.20 m的長度變化。然后利用NAPA軟件根據(jù)新生成的特征參數(shù)Xb、Zb、Y1和Y2自動生成球鼻艏型線并進行曲面光順[3]，然后再將建好的三維模型導(dǎo)入StarCCM+軟件進行CFD數(shù)值模擬計算。因船體沿中線面對稱，故只需對一半船體進行建模。CFD計算域設(shè)定為船首向前1個船長，船尾向后2個船長，左舷1個船長，水面上下各1個船長，計算域中劃分的單元數(shù)量約180萬個。

圖2 球鼻艏切口位置

圖3 球鼻艏特征參數(shù)

表1 球鼻艏特征參數(shù)變化表 m

1.2 CFD數(shù)值模擬計算船舶工況點的確定

將船舶的航速劃分成4個區(qū)段，如表2所示，每個航速區(qū)段輸入CFD軟件進行模擬計算的代表航速分別為17.0 kn、19.0 kn、21.0 kn和原設(shè)計航速25.6 kn；船舶的航行吃水也劃分成4個區(qū)段，CFD數(shù)值模擬輸入值分別為9.00 m(75%設(shè)計吃水)、12.00 m(100%設(shè)計吃水)、13.25 m(110%設(shè)計吃水)以及14.50 m(結(jié)構(gòu)吃水)。假設(shè)i代表航速分組，j代表吃水分組，范圍均為1～4，則船舶航行的全部工況由16個工況點表示，每一個工況點下的船舶阻力設(shè)為R(i,j)。每個工況的實際航行時間占全部航行時間的百分比用T(i,j)表示，由船東根據(jù)長期記錄及經(jīng)驗匯總提供。

表2 船舶各工況實際航行時間占全部航行時間百分比統(tǒng)計表

1.3 最優(yōu)球鼻艏方案篩選

利用船舶改型后的多個速度工況點[4]的綜合阻力值對球鼻艏方案篩選，初始篩選時可以選取單一工況點，然后再逐步增加計算工況點的覆蓋范圍，最終的方案將計算全部16個工況點，用以評估節(jié)能效果。以6 600 TEU集裝箱船為例，首批篩選工況點為吃水12.00 m、航速19.0 kn工況下的綜合阻力R(2,2)，可以發(fā)現(xiàn)該工況下球鼻艏阻力性能改善的趨勢為長度Xb增加，球鼻艏最前端高度Zb降低。然后分步驟增加計算R(2,1)和R(2,3)不斷淘汰較差方案，待篩選剩余方案數(shù)量下降到個位數(shù)時，選取表2中航行時間占到了總航行時間的54%的4個具有代表性的工況，計算R(1,2)、R(2,2)、R(4,2)以及R(1,4)的綜合阻力，來確定最佳球鼻艏方案。最后對該最佳方案16個工況點的全部阻力進行CFD計算，得出各工況下新舊船型阻力變化百分比，判定該次設(shè)計是否達到設(shè)計指標。

設(shè)計結(jié)果顯示按照圖2中切割線1設(shè)計出的球鼻艏最佳方案的CFD數(shù)值模擬計算結(jié)果綜合阻力僅下降了3.7%，未達到5%的設(shè)計要求。故重新調(diào)整切口位置到圖2中的切割線2，使換新部位沿縱向長度擴大4.05 m，回到初始設(shè)計起點，最終CFD數(shù)值模擬計算結(jié)果綜合阻力如表3所示，相對原船下降了5.9%，相當于每天少消耗燃油3.8 t，達到球鼻艏改型設(shè)計要求。

表3 球鼻艏在切割線2位置改型后16種工況阻力變化匯總表

1.4 船舶阻力分析

6 600 TEU集裝箱船球鼻艏改型后的船體阻力模擬計算預(yù)測值顯示，在高于20.0 kn的航速范圍內(nèi)，吃水越深船舶阻力越大，在低于20.0 kn的航速范圍內(nèi)，吃水越淺阻力越大。球鼻艏改型后，船舶在低于設(shè)計吃水12.00 m時比高于12.00 m吃水時船體阻力下降更加明顯。同一吃水條件下，航速越低，球鼻艏改型后船體相對于原船阻力下降越明顯，即使當船舶處在原設(shè)計工況(吃水12.00 m，航速25.6 kn)時，裸船體CFD數(shù)值模擬阻力計算值也比原船略小，完全滿足船東增加阻力不超過1.5%的設(shè)計目標要求。

1.5 船舶波形分析

6 600 TEU集裝箱船球鼻艏改型后，通過CFD數(shù)值模擬計算顯示，得到如下結(jié)論：①當船舶以16.0 kn航速航行時,9.00 m吃水相對于12.00 m吃水工況下的波形前肩更加陡峭，這是由于9.00 m吃水時球鼻艏不能完全浸沒，水流流線越過球鼻艏產(chǎn)生較高的興波。②當船舶在25.0 kn航速航行時，9.00 m吃水以及12.00 m吃水工況下船舶的首波高度差異并不明顯，但12.00 m吃水的尾波波高要明顯高于9.00 m吃水，這是因為吃水越大尾封板浸沒在水中越深，尾渦對船體產(chǎn)生的拖拽影響越明顯，由此產(chǎn)生的尾波也越高。③當船舶以19.0 kn航速航行時，在9.00 m吃水狀態(tài)下，球鼻艏改型后的首波波高相對原船顯著降低，合成波高也有所降低，且波形更為平緩；在設(shè)計吃水12.00 m狀態(tài)下，新球鼻艏完全浸沒在水中，其首肩部興波的高度不僅相對原船首肩部大幅降低，而且相對自身吃水9.00 m、19.0 kn航速的工況也有顯著降低。

2 CFD數(shù)值模擬阻力預(yù)測結(jié)果精度

首先對原船線型進行CFD數(shù)值模擬計算，將計算值與原船船模試驗結(jié)果進行對比，初步評估CFD數(shù)值模擬計算的誤差范圍，并根據(jù)誤差對模擬計算進行一定程度的修正。然后將CFD數(shù)值模擬計算獲得的最終球鼻艏線型制成船體模型，進行船模試驗，將球鼻艏改型設(shè)計后的船模試驗值與CFD數(shù)值模擬計算值進行對比，驗證CFD模擬計算值的精度。如圖4所示，包含了2%舵阻力的船模裸船體阻力與CFD數(shù)值模擬計算阻力預(yù)測結(jié)果相當吻合，從而驗證了CFD計算的精度。

圖4 CFD計算結(jié)果與船模試驗結(jié)果對比

3 球鼻艏改型后對船舶穩(wěn)性的校核

球鼻艏改型后的船舶性能必須通過船級社審核，其審核的指標主要為船舶總縱強度、船舶初穩(wěn)性高度GM、船舶的吃水。6 600 TEU集裝箱船球鼻艏改型后的性能計算通過NAPA軟件進行，由于球鼻艏改型后的質(zhì)心變化相對于全船質(zhì)心為一個小量，其改型前后總縱強度計算結(jié)果相差不大，滿足規(guī)范要求。球鼻艏改型后船型略微變胖，排水體積變大但自重增加不明顯，船舶的穩(wěn)性和吃水滿足船級社規(guī)范要求。

但如果球鼻艏改型后變瘦，排水量變小，若要確保船舶穩(wěn)性則需要調(diào)整船舶裝載手冊中的壓載布置。以另外一艘4 250 TEU集裝箱船為例，該船總長為246.00 m，型寬為32.25 m，型深為19.30 m，設(shè)計吃水為11.00 m。 如表4及表5所示，改型后球鼻艏的自身質(zhì)量增加了14.62 t，排開水的質(zhì)量下降了155.2 t，兩項相加造成球鼻艏改型后在結(jié)構(gòu)吃水(12.60 m)狀態(tài)下浮力損失達16.98 kN。 如果要在保持原設(shè)計載重量不變的前提下確保結(jié)構(gòu)吃水不變，就只能減少船舶的壓載水總量，并相應(yīng)調(diào)整壓載水的布置，但由于減少的壓載水質(zhì)心位置比原船質(zhì)心低，這樣調(diào)整勢必會造成全船質(zhì)心隨之提高，造成GM值下降，導(dǎo)致船舶穩(wěn)性惡化。設(shè)計過程中4 250 TEU系列集裝箱姊妹船球鼻艏改型后GM值均有所下降，但大多數(shù)姊妹船GM值略大于船級社0.50 m的最低要求，僅有一艘船因為完工狀態(tài)略有差別，GM僅達到0.49 m，最終通過增加過渡工況，就是滿載離港船舶在航行一定距離后必須要對船舶的壓載重新調(diào)整，才能滿足船舶繼續(xù)航行時的穩(wěn)性要求，使得GM重新達到0.50 m以上。故在球鼻艏改型方案設(shè)計時就要考慮到新球鼻艏的浮力損失問題，以便綜合權(quán)衡船舶阻力性能和其它性能的關(guān)系，確保改型設(shè)計獲得最終成功。

表4 球鼻艏及空船質(zhì)量、質(zhì)心表

表5 球鼻艏改型前后船體排水量 t

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了集裝箱船球鼻艏改型設(shè)計方法，該方法具有較高的工程精度。在2年多時間，船廠采用該設(shè)計方法改型的集裝箱船總計18艘。通過實船球鼻艏改型前后較長時間的實測油耗檢測統(tǒng)計對比，船東認為達到了預(yù)期的節(jié)能效果，對球鼻艏改型設(shè)計表示滿意。

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After container ship reduced the actual sailing speed,bulous bow retrofitting design will be carried out based on computational fluid dynamics numerical simulation calculation.Through ship model test to verify the accuracy of the design result,the ship comprehensive resistance is reduced about 5%.

bulbous bow;retrofit;comprehensive resistance;CFD

周敏(1971-)，男，湖北武漢人，高級工程師，碩士，主要從事船舶修理、改裝及建造工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.004

2016-06-15