(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

全球LNG市場需求旺盛，新型LNG船舶的設(shè)計(jì)及相關(guān)的研究工作備受關(guān)注[1-5]。本公司為推進(jìn)長江LNG水上業(yè)務(wù)發(fā)展，開展了16 000 m3LNG船的研究，為了獲得較優(yōu)的阻力性能，應(yīng)用CFD和CAD軟件對16 000 m3LNG船進(jìn)行優(yōu)化，并通過實(shí)船的快速性試驗(yàn)加以驗(yàn)證和修正。

1 船型特征

本船的B/T為4，屬于淺吃水船，采用雙槳。艏艉形狀見圖1。

圖1 艏艉形狀

常規(guī)型雙槳船，在槳盤處的伴流分?jǐn)?shù)較低，船身效率及推進(jìn)效率亦低，且附體阻力也較大，本船將船尾改為類似于2個(gè)單槳船尾的雙尾鰭形狀。雙艉鰭船型通過將寬度吃水比較大的船舶艉部設(shè)計(jì)成2個(gè)艉部片體，使去流段水流分成兩側(cè)水流和船底縱流3個(gè)區(qū)域，從而使艉部水流暢通，減少水流分離，降低船舶的形狀阻力[6]。試驗(yàn)表明，雙槳推進(jìn)采用雙尾鰭線型對降低阻力和提高推進(jìn)效率是非常有利的，與相應(yīng)的單槳船相比可以降低10%～20%的主機(jī)功率。雙尾鰭型與常規(guī)型雙槳船相比，在阻力和推進(jìn)方面均有一定的特點(diǎn)。從阻力方面看，雙尾船型的單個(gè)尾體寬度為整個(gè)船寬的40%～60%，因而相當(dāng)于增大了長寬比，特別是后體變得瘦削，有利于降低粘壓阻力。從推進(jìn)方面看，改用雙尾后螺旋槳的直徑可以增大，敞水效率將有所提高，并且雙尾船型的片尾，其內(nèi)側(cè)是受限流場，外側(cè)是無限流場，兩側(cè)不對稱，通常產(chǎn)生一外旋流場，可獲得較高的推進(jìn)效率。此外，常規(guī)型雙槳船通常有對阻力不利的附體，如軸支架、軸包殼等，附體阻力可達(dá)總阻力的10%以上。本船采用雙尾船型，省去附體，從而可減免附體阻力，充分利用伴流，得到較為顯著的節(jié)能效果。主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)

2 性能優(yōu)化方法

為最大限度地提高目標(biāo)船的快速性能、降低其能耗水平，方法運(yùn)用CAD軟件FRIENDSHIP-Framework結(jié)合CFD軟件Shipflow的方法，以初步線型為基礎(chǔ)，應(yīng)用FRIENDSHIP-Framework中的Lackenby方法改變船體橫剖面面積曲線的形狀，從而變換得到不同的線型，由此進(jìn)行水動(dòng)力性能的優(yōu)化計(jì)算。船體周圍流場示意于圖2。

圖2 船體周圍流場示意

由圖2可見，Shipflow方法是將計(jì)算流場分為3個(gè)區(qū)域，近似模擬流體運(yùn)動(dòng)，具體劃分如下。

1)勢流區(qū)?；贒awson理論中二階面元法進(jìn)行勢流計(jì)算，并采用迭代技術(shù)滿足該流場自由液面的邊界條件。Dawson計(jì)算方法是線性化理論基礎(chǔ)，Shipflow采用的勢流方法在運(yùn)用Dawson理論求得線性解后并沒有終止計(jì)算，隨后不斷地迭代重復(fù)上述過程，直到計(jì)算收斂，最終求得完全非線性解。

2)薄邊界層區(qū)。運(yùn)用邊界層理論模擬船體中前部的邊界層，方法理論為積分法，建立動(dòng)量微分方程沿流場邊界層厚度積分，勢流壓力的分布是計(jì)算的輸入，計(jì)算路徑可以從駐點(diǎn)開始，也可從給定站開始，求解湍流方程，對船體邊界層開展計(jì)算，能夠獲得船體中前部2/3船體上的摩擦阻力。

3)湍流區(qū)域。運(yùn)用雷諾平均的N-S方程在該區(qū)域建立求解方程。對于不可壓縮流體，其RANS如下：

(1)

采用有限差分法作為該區(qū)域求解的數(shù)值方法，應(yīng)用SIMPLE算法耦合壓力和速度，采用壁面函數(shù)以及k-ε兩方程的湍流模式。其中，上述勢流與邊界層計(jì)算結(jié)果作為RANS方程求解的邊界條件。

3 線型優(yōu)化結(jié)果

本船設(shè)計(jì)航速15 kn時(shí)Fr=0.208 7，為中高速。興波阻力在型線優(yōu)化中比較重要，通過對設(shè)計(jì)船型的優(yōu)化，在設(shè)計(jì)航速下以興波阻力最小為優(yōu)化目標(biāo)，排水量作為約束函數(shù)。變化參數(shù)改變型線，尤其是球鼻首和雙尾鰭，利用上述軟件進(jìn)行全局搜索興波阻力極值。最終，通過波高、波形、壓力分布，興波阻力系數(shù)計(jì)算值等方面的比較，從大量計(jì)算方案中選取最優(yōu)結(jié)果，使優(yōu)化后的線型具有更好的阻力性能和推進(jìn)性能，優(yōu)化前后的橫剖面面積曲線見圖3，優(yōu)化前后的縱剖面波高見圖4～6，型線優(yōu)化前后的表面壓力分布見圖7。

圖3 優(yōu)化前后橫剖面面積對比

圖4 優(yōu)化前后縱剖面波高對比(沿船側(cè))

圖5 優(yōu)化前后縱剖面波高對比(y/Lpp=1.5)

圖6 優(yōu)化前后縱剖面波高對比(y/Lpp=2)

圖7 優(yōu)化型線與初始型線的表面壓力分布

由圖4～7可知，優(yōu)化后的線型無論在波形上還是表面壓力分布的均勻上都有了顯著的改善，數(shù)值計(jì)算結(jié)果也充分顯證了這一點(diǎn)，見表2。CW和CWTWC為兩種不同方法計(jì)算出的興波阻力系數(shù)值，CW來自船體表面的壓力積分，CWTWC由尾后截面積分計(jì)算得到。

表2 興波阻力系數(shù)值優(yōu)化前后對比

綜上，通過線型的優(yōu)化有效降低了本船的阻力，提高了快速性。

4 試驗(yàn)分析方法

為了驗(yàn)證流體模擬的計(jì)算效果，采用船模試驗(yàn)驗(yàn)證其阻力與推進(jìn)性能。

4.1 相似理論

船模阻力試驗(yàn)保持模型和實(shí)船的傅汝德數(shù)Fr相等，敞水試驗(yàn)保持進(jìn)速系數(shù)J相等?？焖傩栽囼?yàn)既有裸船又有螺旋槳，故須滿足Fr數(shù)和J相等。推導(dǎo)中部分符號定義如下。

L為船長，D為槳徑，V為船速，VA為進(jìn)速，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，λ為縮尺比，ρ為流體密度，ω為伴流分?jǐn)?shù)，t為推力減額分?jǐn)?shù)，下標(biāo)m表示船模，下標(biāo)s表示實(shí)船。

由Fr相等得：

(2)

由J相等得：

(3)

假定伴流無尺度作用，ωs=ωm，可得：

(4)

(2)和(4)兩式是船?？焖傩栽囼?yàn)應(yīng)滿足的相似條件。

快速性試驗(yàn)中模型和實(shí)船的各種力之間基本上是λ3的關(guān)系，用Rt表示裸船體的總阻力，則實(shí)船總阻力可表示為

(5)

當(dāng)船模以速度Vm航行時(shí)，預(yù)先對船模加一個(gè)強(qiáng)制拖拽力FD，即摩擦阻力修正值[7]，此強(qiáng)制力用于克服船?？傋枇χ写笮镕D的部分，則螺旋槳發(fā)出的推力Tm僅需克服船?？傋枇χ惺Ｏ碌牟糠?Rtm-FD)。如此處理后，船模快速性試驗(yàn)系統(tǒng)中各種力都存在λ3的關(guān)系。

4.2 實(shí)船推進(jìn)性能

采用三因次法[8]得到實(shí)船總阻力系數(shù)Cts。經(jīng)過摩擦阻力修正，根據(jù)等推力法，得到船模的相關(guān)效率和系數(shù)。最后經(jīng)過實(shí)槳敞水修正，得到實(shí)船推進(jìn)效率為

(6)

式中：ηR為相對旋轉(zhuǎn)效率；ηH為船身效率。

實(shí)槳轉(zhuǎn)速為

(7)

實(shí)船的有效馬力為

(8)

實(shí)槳收到馬力為

(9)

上述計(jì)算結(jié)果需要采用功率因子Cp及轉(zhuǎn)速因子Cn進(jìn)行修正，其數(shù)值由各水池根據(jù)自己積累的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)資料決定。因此，修正后的實(shí)船試航性能預(yù)估如下。

轉(zhuǎn)速為

Nt=CnNs

(10)

收到馬力為

PDt=CpPDs

(11)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，即可繪制實(shí)船性能預(yù)報(bào)曲線，從而可知設(shè)計(jì)的船機(jī)槳是否匹配，航速能否滿足船東的要求。

5 試驗(yàn)簡介

5.1 快速性試驗(yàn)簡述

船?？焖傩栽囼?yàn)，一般是在阻力試驗(yàn)和敞水試驗(yàn)之后進(jìn)行的，為滿足船模和實(shí)船邊界層中流動(dòng)狀態(tài)相似的要求，在船模的19號站以及球鼻艏中部裝有2根直徑為1 mm激流絲。試驗(yàn)中，螺旋槳模型的轉(zhuǎn)速nm、推力Tm、轉(zhuǎn)矩Qm由動(dòng)力儀測得，強(qiáng)制力z由阻力儀測得。船模速度即為拖車的前進(jìn)速度，船模在速度Vm時(shí)阻力Rm已由阻力試驗(yàn)求得。試驗(yàn)為強(qiáng)制自航法，即船模在螺旋槳推力T和強(qiáng)制力z共同作用下進(jìn)行的快速性試驗(yàn)。阻力儀能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)強(qiáng)制力z，船模的前進(jìn)速度和拖車速度Vm保持相等。本試驗(yàn)共拖航了8個(gè)船速，對某一船模速度Vm，需要外加5個(gè)強(qiáng)制力，即z1、z2、z3、z4、z5。對于不同的強(qiáng)制力，為維持船模速度Vm而要求螺旋槳模型發(fā)出的推力Tm，轉(zhuǎn)速nm及轉(zhuǎn)矩Qm是不同的。因此對于一個(gè)速度需要試5次，且盡可能保持同一速度Vm。測量記錄數(shù)據(jù)由Vm、z、Tm、Qm及nm共5項(xiàng)，據(jù)此得到船?？焖傩栽囼?yàn)結(jié)果見圖8。根據(jù)公式(1)及縮尺比可得到對應(yīng)航速Vm下的強(qiáng)制力FD值，由FD與對應(yīng)航速Vm的交點(diǎn)即可得到船模在航速Vm時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速nm、推力Tm和轉(zhuǎn)矩Qm。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析推進(jìn)效率的各種成分。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)考量的是船舶設(shè)計(jì)吃水時(shí)的性能，船模縮尺比λ=24.093 1，螺距比、盤面比也比較接近，船模及槳模都足夠大，確保能獲得比較精確的試驗(yàn)結(jié)果，船體阻力見表4，有效功率見圖9。船體推進(jìn)效率見表5，實(shí)船性能預(yù)報(bào)見圖10。

圖8 船?？焖傩栽囼?yàn)結(jié)果

表4 試驗(yàn)所得船體阻力

圖9 有效功率

表5 船體推進(jìn)效率

圖10 實(shí)船性能預(yù)報(bào)

本船電動(dòng)機(jī)推進(jìn)功率為2 400 kW/臺，共2臺，齒輪箱傳送效率為0.97，軸系效率為ηs=0.99，本船螺旋槳收到功率PDt=4 609.4 kW，由表5可知，此時(shí)推進(jìn)效率ηDs=0.723 7?？紤]15%SM工況，本船螺旋槳收到功率：PDt=4 008.2 kW，推進(jìn)效率ηDs=0.720 2，在海水水溫15 °C，深水、無風(fēng)、無浪、無流、無污底狀況下實(shí)船航速預(yù)報(bào)結(jié)果見表6。

表6 航速預(yù)報(bào)

由此可知：阻力試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于艾亞法估算結(jié)果，船體線型的剩余阻力系數(shù)低，即船體阻力性能優(yōu)秀(剩余阻力系數(shù)是船體阻力性能的衡準(zhǔn))，船體尾部流場好，所以推力減額系數(shù)值低，船身效率ηHs高，螺旋槳效率η0s高，總推進(jìn)效率也較高，最終能很好地達(dá)到預(yù)先設(shè)定的航速要求。按照型線優(yōu)化結(jié)果的船模進(jìn)行試驗(yàn)，在計(jì)算要求的有效推進(jìn)功率下，85%負(fù)荷時(shí)為15.15 kn，>15.00 kn；額定功率時(shí)為15.74 kn，既能滿足技術(shù)要求，又有良好的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)論

本16 000 m3LNG船根據(jù)設(shè)計(jì)航速時(shí)傅汝德數(shù)Fr=0.208 7以及寬度吃水比B/T=4的船型特征，采用球鼻首降低興波阻力，采用雙尾鰭雙槳提高推進(jìn)效率，并采用CFD手段對船體型線尤其球鼻首和雙尾鰭進(jìn)行了優(yōu)化，理論上降低了興波阻力和粘壓阻力。其中，船體表面壓力積分和尾后截面積分所得興波阻力系數(shù)分別降低69%和40%，顯著提高了推進(jìn)效率?？焖傩栽囼?yàn)表明船型經(jīng)過CFD性能優(yōu)化能夠很好地實(shí)現(xiàn)降阻增速的效果。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對該船進(jìn)行性能預(yù)報(bào)，結(jié)果表明，優(yōu)化后的船型推進(jìn)效率高、船機(jī)槳匹配度良好。