李雷雷，徐偉，曾志剛

(武漢長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430062)

郵輪無(wú)論是設(shè)計(jì)還是建造都有極高的要求，并且非常重視外觀視覺(jué)，目前在航郵輪多數(shù)采用球鼻艏船型，在保證節(jié)能的同時(shí)，艏部水線以上大幅外飄，可提供足夠的甲板面積，減少甲板上浪，增加適航性，同時(shí)形成動(dòng)感飄逸的外觀造型。隨著郵輪造型設(shè)計(jì)理念的變化及環(huán)保要求的不斷提高，郵輪船型設(shè)計(jì)在提升船舶性能的同時(shí)，也需開拓新的造型方案。國(guó)際上直型艏、后傾艏已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于小型郵輪設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了更加新穎的船型方案。在當(dāng)今節(jié)能減碳的大環(huán)境下，從郵輪船型的發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)看，環(huán)保節(jié)能化是趨勢(shì)，相對(duì)普通運(yùn)輸船舶，郵輪設(shè)計(jì)航速相對(duì)較高，全船能耗也相對(duì)較大，船型節(jié)能更加重要。球鼻艏船型在各類運(yùn)輸船型上的應(yīng)用非常廣泛，直型艏船型近年來(lái)也得到了快速發(fā)展，主要源于貨船在主尺度不變的前提下載重量不斷增加，船型趨向于更加豐滿，而航速指標(biāo)要求沒(méi)有降低，追求單位載重量營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的市場(chǎng)需求。國(guó)內(nèi)公開發(fā)表的直型艏研究報(bào)道有關(guān)于低速肥大船型，直型艏在減小船舶興波阻力、破波阻力、黏壓阻力方面均有效果；直型艏散貨船在波浪中有優(yōu)秀的阻力性能表現(xiàn)；還有江海直達(dá)散貨船的直型艏船型設(shè)計(jì)的水動(dòng)力效果。中型郵輪船型特征及航速要求與低速肥大船型有較大差異，為分析中型郵輪對(duì)直型艏及球鼻艏船型的適應(yīng)性，基于某型5萬(wàn)總t級(jí)郵輪設(shè)計(jì)，應(yīng)用CFD流場(chǎng)仿真方法，對(duì)不同艏型的流場(chǎng)及性能進(jìn)行分析比較，并針對(duì)直型艏船型，在分析其減阻原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)水線長(zhǎng)及橫剖面形狀的影響進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案的分析，找出較優(yōu)船型，為新船艏型設(shè)計(jì)提供支持。

1 船型基本情況

目標(biāo)郵輪為1艘5萬(wàn)總t級(jí)中型郵輪，主尺度參數(shù)以及航速、排水量要求見表1。

表1 目標(biāo)郵輪主要參數(shù)

統(tǒng)計(jì)百余艘現(xiàn)有在航郵輪數(shù)據(jù)資料，3萬(wàn)～7萬(wàn)總噸范圍內(nèi)的中型郵輪普遍在0.20～0.25之間，目標(biāo)船型也在該范圍內(nèi)，屬于中速船。該航速范圍內(nèi)船舶興波阻力成分相比低速船更大，采用球鼻艏球船型可以通過(guò)球艏波系與船體的波系產(chǎn)生有利干擾，波峰波谷疊加，降低總波高，減小興波阻力。

目前在航中大型郵輪球鼻艏形狀多采用長(zhǎng)球艏，并且由于對(duì)操縱性和振動(dòng)噪聲有極其嚴(yán)格的要求，推進(jìn)器普遍采用吊艙推進(jìn)，為了適應(yīng)推進(jìn)器尾型通常采用底部較為平坦的方尾，部分郵輪還設(shè)有尾呆木。目標(biāo)郵輪約為0.22，推進(jìn)方式為吊艙推進(jìn)，因此選取現(xiàn)有某長(zhǎng)球艏方尾郵輪船型設(shè)計(jì)為母型。參考該母型完成目標(biāo)郵輪球鼻艏船型設(shè)計(jì)方案BF1見圖1。

圖1 球鼻艏船型設(shè)計(jì)方案BF1型線

2 直型艏對(duì)比方案設(shè)計(jì)

根據(jù)郵輪近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，新建郵輪為了更高的適應(yīng)性，比如,減小吃水以適應(yīng)更多的港口等，部分郵輪的設(shè)計(jì)向豐滿發(fā)展，采用直型艏船型可以降低船體方形系數(shù)，改善船體表面曲度，改善性能。理論上直型艏水線長(zhǎng)越長(zhǎng)、越利于降低，船體表面流場(chǎng)越平順，對(duì)改善興波及黏性阻力越有利。但是水線長(zhǎng)增加卻會(huì)造成濕表面積的增加，而船舶阻力又與濕表面積成正比。因此，水線長(zhǎng)的長(zhǎng)度不同，直型艏的阻力水平將會(huì)有很大差異。

為研究不同水線長(zhǎng)對(duì)直型艏船型性能影響，對(duì)2個(gè)不同水線長(zhǎng)方案設(shè)計(jì)直型艏線型，對(duì)比其流場(chǎng)及阻力差異。考慮到郵輪布置及造價(jià)的影響，將水線長(zhǎng)取值限制在目標(biāo)郵輪原總長(zhǎng)范圍內(nèi)。

以球鼻艏船型方案BF1為基礎(chǔ)，水線長(zhǎng)取230.6 m，(型寬30.0 m，設(shè)計(jì)吃水6.8 m)即艏柱前端取球鼻艏前端位置，設(shè)計(jì)直型艏方案ZF1，見圖2。

圖2 直型艏船型設(shè)計(jì)方案ZF1

為保持對(duì)比的合理性，保持BF1方案與ZF1方案尾部型線不變，即0站～16站線型完全相同，從17站開始首部線型不同。對(duì)于無(wú)球艏方案，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該船型航速范圍內(nèi)U形剖面比V形剖面更佳，因此ZF1直型艏方案艏部采用U形剖面。由于直型艏艏柱前移，考慮到工程實(shí)際情況，艏柱前移會(huì)導(dǎo)致全船鋼料用量略有增加，因此，ZF1方案排水量略大于BF1方案，船型方案的主要參數(shù)見表2。

同樣以BF1方案為基礎(chǔ)，水線長(zhǎng)取236 m，即BF1方案的總長(zhǎng)，設(shè)計(jì)直型艏方案ZF2，見圖3。

圖3 直型艏船型設(shè)計(jì)方案ZF2

ZF2方案線型在0站～16站與ZF1、BF1方案相同，從17站至艏部采用U形剖面，排水量比ZF1、BF1均略增大，見表2。

表2 船型方案ZF1、ZF2主要參數(shù)

直型艏的線型橫剖面形狀在水線以下借鑒球鼻艏設(shè)計(jì)可以兼顧球鼻艏船型的部分優(yōu)勢(shì)，在中低速貨船上已經(jīng)得到了驗(yàn)證，對(duì)于方形系數(shù)相對(duì)較小的郵輪船型,在相對(duì)較高航速下該設(shè)計(jì)的性能未見詳細(xì)的報(bào)道。為此，基于ZF1、ZF2方案，改型設(shè)計(jì)出ZF3、ZF4方案。

其中ZF3方案與ZF1方案水線長(zhǎng)相等、排水量相當(dāng)，型寬、吃水不變，見表3。

表3 船型方案ZF3、ZF4主要參數(shù)

ZF3方案相比ZF1方案，在艏部17站以前部分剖面水線以下剖面呈球鼻狀，水線處更尖瘦，水線以下更豐滿，見圖4。

圖4 直型艏船型設(shè)計(jì)方案ZF3

同樣，ZF4方案與ZF2方案水線長(zhǎng)相等、排水量相當(dāng)，見表3。ZF4方案相比于ZF2方案，剖面形狀與球艏更加相似，見圖5。

圖5 直型艏船型設(shè)計(jì)方案ZF4

3 船型方案分析

船舶在水面運(yùn)動(dòng)的自由表面未知，采用重疊法計(jì)算船舶流場(chǎng)，不考慮船體興波的影響。對(duì)于黏性流體流場(chǎng)計(jì)算，按照流體狀態(tài)可以分為層流和湍流，郵輪實(shí)船航行中，達(dá)到了109級(jí)別，流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則。因此，計(jì)算過(guò)程即使采用縮尺度模型，為保證雷諾相似仍需使用湍流模型。

BF1、ZF1～ZF4方案之間涉及到濕表面積的改變以及黏壓阻力(即黏性阻力成分之一)、興波阻力的不同。因此，仿真計(jì)算可以采用兩種不同的技術(shù)途徑：①使用理想流體計(jì)算對(duì)比不同方案之間的興波差異，再使用疊模法計(jì)算對(duì)比不同方案之間的黏性阻力差異；②使用帶自由液面的黏性流場(chǎng)仿真，同時(shí)對(duì)黏性阻力和興波情況進(jìn)行對(duì)比。為減少計(jì)算次數(shù)，本文采用后者。湍流模型采用SST k-ω模型，邊界層近壁面問(wèn)題采用壁面函數(shù)方法處理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將值控制在30～100范圍內(nèi)可以保證較好的計(jì)算精度。自由液面采用界面捕捉法中應(yīng)用比較廣泛的VOF多相流模型來(lái)模擬。計(jì)算域大小為：船前約1倍船長(zhǎng)，船后約2.5倍船長(zhǎng)，側(cè)邊及底部約1.5倍船長(zhǎng)，頂部約1倍船長(zhǎng)，為減小計(jì)算量采用縮尺度模型。計(jì)算總阻力與經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)值相比相差低于5%，精度能夠滿足工程上船舶設(shè)計(jì)前期階段評(píng)估要求。

分別對(duì)BF1、ZF1～ZF4這5個(gè)船型方案建立模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，水面興波形態(tài)見圖6。

圖6 BF1、ZF1～ZF4船型方案水面興波比較

由圖6可見：ZF3、ZF4相比ZF1、ZF2，興波更?。籞F1、ZF2艏部興波遠(yuǎn)高于ZF3、ZF4，且在靠近船體中部區(qū)域形成了更多的波峰波谷；BF1在球鼻上方興波高于ZF3、ZF4，低于ZF1、ZF2，但是在球艏后方興波明顯減??；BF1艏部波峰波谷數(shù)量比ZF1、ZF2、ZF3、ZF4均少，靠近船中部水面更加趨于水平。ZF2相比ZF1水線長(zhǎng)增加，艏部興波高度也相對(duì)降低；同樣ZF4水線長(zhǎng)比ZF3長(zhǎng)，艏部興波高度也低于ZF3。

5個(gè)方案流線見圖7。

圖7 BF1、ZF1～ZF4船型方案流線比較

根據(jù)圖7可以看出，相比ZF1、ZF2，ZF3、ZF4流線更加平順，BF1則因?yàn)榍螋嫉脑?，局部有流線偏轉(zhuǎn)。

5個(gè)方案靜水阻力仿真計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 靜水阻力仿真結(jié)果對(duì)比表

由表4可知，不同水線長(zhǎng)的直型艏方案有明顯性能差異，ZF2相比ZF1水線長(zhǎng)增加，濕表面積增加，摩擦阻力同時(shí)增加，但是剩余阻力明顯下降，并且總阻力及總阻力系數(shù)大幅下降，達(dá)到10%左右水平。對(duì)于不同橫剖面形狀的直型艏方案，橫剖面采用球艏形狀的ZF3、ZF4相比橫剖面采用U型剖面的ZF1、ZF2，濕表面積增加了，摩擦阻力系數(shù)降低了，摩擦阻力是增加的；但是剩余阻力明顯下降，總阻力也相對(duì)小。直型艏船型方案中，水線長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)且采用球艏形狀橫剖面的ZF4最優(yōu)。

球鼻艏船型BF1在剩余阻力方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，且由于濕表面積不大，總阻力比直型艏船型ZF1、ZF2、ZF3、ZF4均小。直型艏中性能最優(yōu)的ZF4與球鼻艏BF1相比，排水量增加約0.3%，濕表面積增加約1%，模型總阻力系數(shù)增加約0.6%，模型阻力增加約1.6%。

球鼻艏在航速較高的瘦削船型方面減阻效果主要體現(xiàn)在興波阻力方面。結(jié)合前述計(jì)算，分析認(rèn)為：由于相對(duì)較高，興波阻力影響較大，目標(biāo)郵輪采用球鼻艏方案可以充分發(fā)揮減阻優(yōu)勢(shì)，阻力最佳。但是同時(shí)，采用較長(zhǎng)水線長(zhǎng)具有球艏橫剖面形狀的直型艏也有較好的性能。水線長(zhǎng)增加，因?yàn)闈癖砻娣e增加造成了摩擦阻力的增加，但是由于降低了且平緩了進(jìn)流段線型曲度，減小了黏性阻力；并且采用球艏橫剖面特征，兼顧了球艏的優(yōu)勢(shì)，對(duì)降低興波阻力也十分有效；但是由于相對(duì)略高，直型艏在降低興波阻力方面不如球鼻艏方案，總阻力略高于球艏方案。對(duì)于中型郵輪，如果出于造型需要，也可以考慮使用直型艏船型，結(jié)合造型進(jìn)一步優(yōu)化水線長(zhǎng)等參數(shù)提高阻力性能水平。目標(biāo)郵輪基于該結(jié)論，綜合考慮各方面因素，采用了球鼻艏船型方案。

4 結(jié)論

船型阻力受到尺度、航速、型線優(yōu)化水平的影響，不同條件下，不同船型適應(yīng)情況會(huì)有差異。針對(duì)中型郵輪船型較瘦削，相對(duì)較高的特征，根據(jù)5萬(wàn)總噸級(jí)郵輪方案船型仿真對(duì)比，得到結(jié)論如下。

1)在為0.22時(shí)，由于興波阻力影響仍占有重要地位，郵輪應(yīng)用球鼻艏船型在減小興波阻力方面比直型艏有更明顯的作用，球鼻艏船型興波阻力比直型艏船型更小。

2)直型艏阻力水平受到水線長(zhǎng)的影響較大，對(duì)于中型郵輪，采用較大的水線長(zhǎng)可以降低，改善艏部線型曲度，降低剩余阻力，雖然由于濕表面積增加導(dǎo)致摩擦阻力增加，但水線長(zhǎng)較長(zhǎng)的船型總阻力更優(yōu)。理論上應(yīng)該存在一個(gè)最佳水線長(zhǎng)，但是受限于目標(biāo)郵輪的工程原因，并未找出最佳水線長(zhǎng)。

3)在為0.22時(shí)，中型郵輪使用直型艏船型時(shí)，橫剖面采用球鼻形狀能夠起到更好的減阻效果，比采用常規(guī)U形剖面減阻效果更優(yōu)。