陳林，熊海峰，魏青

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 2陸軍車船軍事代表局駐廣州和柳州地區(qū)軍事代表室，廣東佛山528000

深V船型大型化應(yīng)用分析

陳林1，熊海峰2，魏青1

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 2陸軍車船軍事代表局駐廣州和柳州地區(qū)軍事代表室，廣東佛山528000

將深V船型應(yīng)用于大型化高速船的實(shí)船設(shè)計(jì)中，采用非線性型線變換生成多樣化的型線方案，運(yùn)用勢流CFD方法對各型線方案進(jìn)行興波阻力船型優(yōu)化。通過相同主尺度及設(shè)計(jì)排水量條件下的船模阻力對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化后的深V船型可以在保持高傅汝德數(shù)Fr阻力性能優(yōu)勢的同時(shí)，在低傅汝德數(shù)Fr時(shí)擁有與圓舭船型相當(dāng)?shù)淖枇π阅堋＿\(yùn)用切片理論對深V船型進(jìn)行耐波性理論預(yù)報(bào)，并對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行耐波性試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，切片理論適用于瘦長型深V船型的耐波性預(yù)報(bào)。

深V船型；船型優(yōu)化；阻力性能；耐波性能

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引用格式：陳林，熊海峰，魏青.深V船型大型化應(yīng)用分析［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：9-13.

CHEN Lin，XIONG Haifeng，WEI Qing.Application of deep-Vee hull used in large ships design［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：9-13.

0　引言

深V船型是國際上近10多年來熱衷于研究、開發(fā)的一種單體高速新船型，適于海上高速航行，具有優(yōu)良的耐波性和操縱性，且船型和建造工藝簡單、造價(jià)較低、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小，具有良好的總體性能。該船型雖然起步較晚，但發(fā)展較快，具有良好的發(fā)展前景［1］。

深V船型最早應(yīng)用于高速滑行艇，其突出的優(yōu)點(diǎn)是在高海況下耐波性能較常規(guī)的圓舭船型有較大改善，且在風(fēng)浪中失速小。但一般認(rèn)為，其靜水阻力在低速下不如圓舭船型［2-3］。

本文擬將深V船型應(yīng)用于千噸級高速船的實(shí)船設(shè)計(jì)。在參考母型船600 t高速深V型線的基礎(chǔ)上，通過非線性的船型變換，進(jìn)行CFD船型優(yōu)化，并將優(yōu)化后的高速深V船型與成熟的高速圓舭船型進(jìn)行船模水池阻力對比試驗(yàn)分析，以驗(yàn)證CFD船型優(yōu)化的效果。同時(shí)，還將對優(yōu)化后的深V船型的耐波性能進(jìn)行理論預(yù)報(bào)，并對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行水池耐波性試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　深V船型優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1總體要素

根據(jù)目標(biāo)船的主尺度、設(shè)計(jì)排水量以及航速要求，分析其主要阻力成分，明確船型優(yōu)化方向。目標(biāo)船的船型參數(shù)見表1。

表1　船型參數(shù)Tab.1Hull form parameters

由于船長的傅汝德數(shù)Fr＞0.35，目標(biāo)船屬于高速船，故興波阻力為總阻力的成分比較大［4］。而興波阻力又對船型比較敏感，因此優(yōu)化型線減少興波阻力可以有效降低船舶總阻力。

1.2型線變換

船型優(yōu)化需要生成多方案船體曲面型線，且要保證變換后曲面的光順性。傳統(tǒng)的型線變換通常是對船體曲面進(jìn)行整體變換，如變換橫剖面面積曲線的Lackenby變換，在母型船的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)型線可以采用該變換。但Lackenby變換缺乏對局部型線的變換控制，尤其是艏部和艉部型線的局部控制。

為了對600 t高速深V母型船的型線進(jìn)行局部變換控制，同時(shí)保證變換后整體型線的光順性，可以利用B樣條曲線的幾何特性來構(gòu)建一種新的型線變換。

型線變換的一般思想是通過移動(dòng)母型船橫剖線沿船長方向的x坐標(biāo)值來組建新的型線［4］。相鄰站位橫剖線移動(dòng)距離dx如果不連續(xù)，就會(huì)造成變換后的型線不光順。B樣條曲線具有局部支承性及二階連續(xù)性等特性，可以將這2種特性應(yīng)用在型線變換上［5］，即將沿船長方向B樣條曲線shiftcurve（x）的縱坐標(biāo)z值作為對應(yīng)x坐標(biāo)下船體橫剖線的移動(dòng)距離dx。

構(gòu)建一個(gè)Delta shift型線變換函數(shù)：shift function dx（x）=z shiftcurve（x），如圖1所示。

圖1　Delta shift變換Fig.1Delta shift transformation

Delta shift型線變換既可以對母型船的型線進(jìn)行整體變換，也可以進(jìn)行局部變換。B樣條曲線shiftcurve（x）上單個(gè)控制點(diǎn)z坐標(biāo)就可進(jìn)行局部變換，且Delta shift變換的控制參數(shù)非常少，可以通過修改少量參數(shù)來快速得到多方案的船體型線，為下一步CFD性能計(jì)算做好準(zhǔn)備。

1.3CFD船型優(yōu)化

興波阻力已經(jīng)考慮了艏、艉部型線的影響，勢流CFD方法的計(jì)算時(shí)間短，適于高速深V船型阻力性能前期的定性分析。因此，可基于勢流理論對Delta shift變換后的多個(gè)深V船型方案進(jìn)行勢流CFD計(jì)算［6-7］，通過優(yōu)化興波阻力系數(shù)Cw來選擇最優(yōu)深V船型型線方案。

母型船的深V線型與尖舭或折角線型的舭部形狀相配合，最主要的特點(diǎn)是其底部橫向斜升角和常規(guī)尖舭或圓舭相比要大得多，一般最大舭部斜升角β＞20°。這有利于減小船體底部所受到的波浪沖擊，增加船體在波浪中縱向搖蕩的阻尼，有利于改善高速排水型船的耐波性。在Delta shift船型變換（圖2）中，可以很好地保留這些優(yōu)良的船型特性。

圖2　深V船型變換Fig.2Deep-Vee monohull form transformation

由CFD船型優(yōu)化結(jié)果（圖3）可知，和母型船相比，優(yōu)化方案（圖4）在設(shè)計(jì)傅汝德數(shù)下，計(jì)算模型的興波阻力系數(shù)Cw從9.997×10-4下降到了9.101×10-4，約減小了10%。這說明針對新的總體設(shè)計(jì)指標(biāo)，原母型船的深V線型尚有提升的空間。

圖3　優(yōu)化前、后波形對比Fig.3Comparison of wave pattern before and after optimization

圖4　深V船型優(yōu)化型線方案Fig.4The optimized deep-Vee hull lines

2　深V船型與圓舭船型總阻力性能對比分析

在相同主尺度及設(shè)計(jì)排水量下，將高速圓舭短折角船型與優(yōu)化后的深V船型進(jìn)行船模阻力對比試驗(yàn)。為了盡可能地消除試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)在同一水池環(huán)境條件下進(jìn)行。

2.1船模阻力對比試驗(yàn)

用于對比的高速圓舭短折角船型是比較成熟的母型船，已成功應(yīng)用于多型高速船的實(shí)船設(shè)計(jì)，其型線如圖5和圖6所示。

為了進(jìn)行比較分析，將船模阻力換算后的總阻力R（單位：kgf）相對設(shè)計(jì)狀態(tài)排水量Δ（單位：kg）進(jìn)行無因次化，即單位排水量下阻力R/Δ。通過比較相同傅汝德數(shù)Fr下的R/Δ來分析阻力性能優(yōu)劣。

圖5　圓舭船型型線方案Fig.5The round-bilge hull lines

圖6　圓舭船模Fig.6The round-bilge hull model

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過CFD優(yōu)化后的深V船型（圖7）在傅汝德數(shù)Fr＞0.4后，其阻力性能較圓舭船型更加優(yōu)良。對于設(shè)計(jì)傅汝德數(shù)Fr=0.446的高速船來說，深V船型在阻力性能上和圓舭船型相比優(yōu)勢更明顯，如圖8所示，且CFD優(yōu)化后的深V船型在低速時(shí)還能與圓舭船型保持相當(dāng)?shù)淖枇π阅堋?/p>

圖7　深V船模Fig.7The deep-Vee hull model

圖8　總阻力性能對比Fig.8Comparison of ship resistance performance

3　高傅汝德數(shù)深V船型耐波性能分析

3.1切片理論耐波性預(yù)報(bào)

深V船型的突出優(yōu)點(diǎn)是，在洶濤中其耐波性能較常規(guī)的圓舭船型有較大改善［8］，且在風(fēng)浪中能保持較高的航速。為了驗(yàn)證其耐波性優(yōu)勢，采用切片理論［9］進(jìn)行耐波性預(yù)報(bào)，該切片理論比較適合用于細(xì)長船體的耐波性預(yù)報(bào)。優(yōu)化后的深V船型船體切片分布如圖9所示。

圖9　船體切片分布Fig.9The sections of hull strip

不規(guī)則波波譜采用ITTC推薦的雙參數(shù)波浪譜［9］，其波浪譜密度為

式中：Hw1/3為有義波高，m；T1為波浪的特征周期，s；ω為波浪圓頻率。

4個(gè)海況：Hw1/3=1.88，3.25，5.0，7.5 m（對應(yīng)的譜峰周期Tp=8.8，9.7，12.4，15.0 s）分別表示4，5，6，7級浪高有義值，對應(yīng)的特征周期T1取北太平洋譜峰周期中的最可能值。在采用有義波高Hw1/3和譜峰周期Tp為特征參數(shù)表征海浪時(shí)，特征周期T1與譜峰周期Tp之間的關(guān)系采用下式［9］：

圖10　橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)函數(shù)Fig.10Roll motion responses

切片理論預(yù)報(bào)的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)函數(shù)如圖10所示。垂蕩、縱搖、垂向加速度只校核5，6，7級浪，計(jì)算狀態(tài)取Vs=18（巡航航速）和25 kn（最大航速）、浪向角m=180°時(shí)，如表2和表3所示。

表2　運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（Vs=18 kn，m=180°）Tab.2Motions responses（Vs=18 kn，m=180°）

表3　運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（Vs=25 kn，m=180°）Tab.3Motions responses（Vs=25 kn，m=180°）

由表可知，和艉部相比，艏部的垂向加速度要大得多，這主要是考慮到設(shè)計(jì)傅汝德數(shù)Fr較高，因此，艏部線型設(shè)計(jì)較瘦能改善破波阻力，從而導(dǎo)致船體浮心比較靠后。

鑒于零速正橫浪時(shí)橫搖最為嚴(yán)重，故橫搖計(jì)算狀態(tài)只取Vs=0 kn、浪向角m=90°時(shí)，如表4所示。

表4　運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（Vs=0 kn，m=90°）Tab.4Motions responses（Vs=0 kn，m=90°）

4級海況Hw1/3=1.88 m（Tp=8.8 s）下的零速橫搖較大，這主要是由于設(shè)計(jì)船舶的固有橫搖周期Tθ=8.79 s與譜峰周期Tp=8.8 s很接近，發(fā)生了共振所導(dǎo)致。其他海況下的零速橫搖均與2 000 t級船舶的性能接近。

3.2耐波性水池試驗(yàn)驗(yàn)證

受船模尺度與造波機(jī)造波能力的限制，優(yōu)化后的深V船型的耐波性水池試驗(yàn)先在5，6級海況下進(jìn)行規(guī)則波中18，25 kn、浪向角m=180°各狀態(tài)下的縱搖幅值、升沉幅值和加速度幅值的試驗(yàn)驗(yàn)證（表5），然后再用5級海況不規(guī)則波試驗(yàn)校核規(guī)則波試驗(yàn)預(yù)報(bào)值（表6）。

由表6可見，規(guī)則波試驗(yàn)預(yù)報(bào)的換算值與切片理論預(yù)報(bào)的結(jié)果非常吻合，同時(shí)，5級海況下不規(guī)則波試驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)則波試驗(yàn)預(yù)報(bào)換算值相比差別也較小，這充分證明了切片理論適用于瘦長型（L/B＞7）深V船型的耐波性預(yù)報(bào)。

表5　規(guī)則波預(yù)報(bào)結(jié)果Tab.5The results of prediction in regular waves

表6　不規(guī)則波試驗(yàn)與規(guī)則波預(yù)報(bào)值對比Tab.6Comparison of the model test results in irregular waves and the theory prediction resules in regular waves

4　結(jié)論

綜上所述，本文提出的應(yīng)用于千噸級高速船的深V船型型線方案達(dá)到了預(yù)期的總體性能目標(biāo)，由上述數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果可得到以下結(jié)論：

1）通過CFD優(yōu)化后，深V船型可以在保持高速阻力性能優(yōu)勢的同時(shí)，在低速時(shí)擁有與圓舭船型相當(dāng)?shù)淖枇π阅堋?/p>

2）切片理論適用于瘦長型（L/B＞7）深V船型的耐波性理論預(yù)報(bào)。

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Application of deep-Vee hull used in large ships design

CHEN Lin1，XIONG Haifeng2，WEI Qing1
1 China Ship Development and Design Cnter，Wuhan 430064，China 2 Guangzhou&Liuzhou Military Representative Office，Army Military Representative Department of Vehiche&Boat，F(xiàn)oshan 528000，China

This study involves the design of a high speed vessel with a deep-Vee hull by using a nonlinear hull transformation to diversify the hull forms，then optimizing the hull forms by the potential flow CFD. Model tests which use the same dimension and displacement ship models show that the resistance performance of the optimized deep-Vee hull is equivalent to the round-bilge hull in its low Froudes number，with it keeps the advantage of resistance performance in high Froudes number.Moreover，the study provides seakeeping predictions for the optimized deep-Vee hull by strip theory，and compares the results of the theory predictions with the model test.The results of the model test show that strip theory is able to provide reasonably accurate seakeeping predictions for the thin deep-Vee hull.

deep-Vee hull；hull form optimization；resistance performance；seakeeping

U661.31

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.002

2016-01-09網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-9-21 14:41

陳林（通信作者），男，1984年生，碩士，工程師。研究方向：船舶總體性能。

E-mail：chenlin1984@163.com