22萬立方米LNG船雙尾鰭線型設(shè)計研究

宋吉衛(wèi) 陳紅梅

（中國船舶工業(yè)集團公司第七○八研究所 上海 200011）

0 引 言

據(jù)英國Lloyd’s Register統(tǒng)計，至2010年3月，全球已交付使用的LNG（液化天然氣）船總計約375艘 （不包括艙容小于1.2萬立方米的約20艘LNG船），其中艙容20萬立方米以上的船超過40艘，LNG船大型化發(fā)展趨勢越來越明顯。

LNG船運輸?shù)呢浧窞榉悬c-163℃的液化天然氣，其主要成分是甲烷。依照IGC Code中的定義，LNG船屬于2G型氣體運輸船。其貨物圍護系統(tǒng)主要有薄膜型（GTT公司的NO96、MARK III和CS1）、球罐型（MOSS）、自持式棱型（SPB）等形式。 目前大型LNG船的圍護系統(tǒng)都傾向于采用薄膜型。

本文所述的22萬立方米LNG船同樣采用薄膜型（NO96）。區(qū)別于普通運輸船以載重量確定船舶大小的方法，LNG船以貨艙容積定義大小。因LNG的密度較小（約為0.43～0.47 t/m3），相同載重量下所需的貨艙容積較常規(guī)原油/成品油船大得多。一般將大于17萬立方米艙容的LNG船稱為大型LNG船。

線型的設(shè)計除關(guān)系到載貨量、總布置、水動力性能以及施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)指標外，還要達到外形美觀的效果，其重要性毋庸置疑。大型LNG船線型受到貨艙形狀的約束，我們稱之為“帶型值控制點”的線型。NO96薄膜型圍護系統(tǒng)的LNG船，其貨艙尺度應(yīng)滿足GTT公司的設(shè)計要求。

針對GTT公司對大型LNG船分艙及貨艙形狀的建議，除首部第一貨艙外，其余貨艙尺度形狀相同，以獲得艙容最大化并簡化艙型設(shè)計。這樣的設(shè)計就對貨艙區(qū)前后端壁處的線型提出了一定的約束條件。而這些約束條件與船舶的快速性指標是一對矛盾。如何在主尺度及船型系數(shù)已經(jīng)確定的前提下解決這對矛盾，是本船線型設(shè)計的技術(shù)難點之一。

大型LNG船的長寬比L/B＞6，寬度吃水比B/T＞4，方形系數(shù)CB＞0.75，屬于淺吃水肥大型船舶。通過分析國內(nèi)外有關(guān)文獻［1，2，3］，得出尾型選擇 是改 善淺吃水肥大型船舶性能的關(guān)鍵，而采用雙尾鰭船型是一條有效途徑，其有利于降低船舶阻力，提高推進效率和操縱性能。

22萬立方米LNG船主要要求為：垂線間長302.0 m；型寬～50.0 m；型深 27.0 m；貨 艙容積～220 000 m3；設(shè)計吃水 12.0 m；服務(wù)航速 19.5 kn。

1 后體設(shè)計與優(yōu)化

雙尾鰭線型由兩個尖瘦的片尾和一個縱流型中央隧道組成。與常規(guī)船型相比，尾部線型變化較緩和、縱向梯度變化小，可使尾部流場順暢，減少邊界層分離，從而減小粘壓阻力；同時還可減少尾興波，降低興波阻力［4］。

LNG船由于所載貨品的密度較小，大型化發(fā)展后，其吃水仍較小，保持在12 m左右。與主尺度相近的VLCC、VLOC相對比，大型LNG船的浮心縱向位置（LCB）要偏后許多，約為±0.5%Lpp（“-”表示舯后，“+”表示舯前），而前兩者的 LCB 均為+3%Lpp。雙尾鰭增大了尾部豐滿度，有利于LCB后移。

本船后體線型為縱流型，中縱剖線的切點位置在3站附近，縱向角控制在17°以內(nèi)。文獻［5］指出兩鰭間的內(nèi)隧道存在壓力差，較易出現(xiàn)橫向流甚至倒流［5］。為了改善這種現(xiàn)象，線型設(shè)計時加大了兩鰭彼此內(nèi)表面間距、使其外傾，并將角度范圍控制在14°～17°之間。同時，可將鰭的形狀設(shè)計成沿鰭軸內(nèi)側(cè)薄于外側(cè)的非對稱形狀，以減小水流分離和縱向渦。

圖1為非對稱鰭的橫傾角為0°（方案A1）時和15°（方案A2）時特性剖面的比較。從數(shù)值計算的比較結(jié)果來看，尾鰭傾角大小的變化對阻力值的影響不明顯，從趨勢上來看傾角變大對阻力稍有好處。但對比結(jié)果顯示，槳軸間距大小的變化對阻力影響比較明顯。相關(guān)文獻曾將尾鰭傾角與槳軸間距大小相結(jié)合，通過模型試驗尋找其中的關(guān)聯(lián)，其試驗結(jié)果與本船數(shù)值計算的結(jié)論相同。

雙槳推進的船舶，螺旋槳的旋向與推進特性密切相關(guān)。從推進效率的角度出發(fā)，希望螺旋槳的旋向與切向伴流方向相反。通過調(diào)整尾鰭的形狀改變切向伴流產(chǎn)生預(yù)旋流。尾鰭外側(cè)的形狀優(yōu)化后的方案A3與方案A2的比較如圖1。應(yīng)用FLUENT軟件對A2和A3尾鰭方案進行了尾部流場的數(shù)值計算。為了便于比較計算結(jié)果的可靠性，兩個模型的縮尺比和網(wǎng)格劃分方法相同，計算區(qū)域以及網(wǎng)格數(shù)量也基本一致。

如圖2中螺旋槳盤面處伴流分布來看，A2和A3兩型尾鰭均可以提供一定程度的外旋預(yù)旋流，但A3的強度較大且分布均勻。

模型試驗結(jié)果比較表明，螺旋槳采用內(nèi)旋比外旋推進效率提高了7%，見表1。

表1 螺旋槳內(nèi)旋與外旋的船模試驗結(jié)果比較

2 前體的設(shè)計與優(yōu)化

本船采用與常規(guī)運輸船相同的球鼻艏。由于LNG船屬中低速船型，首部線型的優(yōu)化主要考慮抑制首部舭渦和降低破波阻力。如圖3，選取4個不同首部方案（F1、F2、F3、F4），應(yīng)用SHIPFLOW軟件進行興波波形、船側(cè)波和船體表面壓力分布的計算。

由于對稱，故只需對半個船體進行計算。計算區(qū)域為上游0.5個船長、船側(cè)0.7個船長、下游2.0個船長，網(wǎng)格劃分及數(shù)量基本一致。計算結(jié)果見圖4～6以及下頁中的表2。

從圖4可以看出，不同球首方案的波形特征基本沒有改變，但方案F4的首部波峰和波谷的值明顯都小；從圖5也可得出同樣結(jié)論。從圖6可以看出壓力分布的差異，F(xiàn)4方案壓力分布較均勻，梯度變化較小。我們可以直觀的從表2中看出不同球首方案的興波阻力系數(shù)的變化，F(xiàn)4方案最小。

表2 不同首部方案的興波阻力系數(shù)計算值

表2中需要說明的是，球首的改變會引起濕表面積的變化。雖然興波阻力系數(shù)減小很多，但興波阻力不一定會有相同量級的減少。由于摩擦阻力也會改變，所以最后總的阻力不一定會減小很多。因此綜合上述各項來看，F(xiàn)4方案較優(yōu)。

3 線型選優(yōu)

22萬立方米LNG船的雙尾鰭后體設(shè)計是關(guān)鍵。當然船首型的選擇也很重要，通過不同首型與尾型相匹配的多種方案試驗，從中選取較優(yōu)者。根據(jù)上述分析，選取尾部兩個方案A1、A3和首部兩個方案F1、F4分別組合進行模型試驗。從表3不同方案組合有效功率比較可以看出，不同球首在設(shè)計速度附近，F(xiàn)4A3比F1A3的阻力約小10%。由圖3可知，球首F1的體積、長度均比F4小，F(xiàn)1的阻力偏大，可能是球首太小，不足以消去主船體產(chǎn)生的興波強度。不同尾鰭在設(shè)計速度附近，F(xiàn)4A3比F4A1的阻力約小2-3%。整個試驗過程中觀察到，F(xiàn)4A3組合和F4A1組合在3站附近都有一個波谷，但F4A1組合波谷更明顯。

表3 不同方案組合有效功率比較

由圖1不同尾鰭特性剖面比較可知，在3站附近船體與尾鰭連接處，A3過渡相對緩和，可能對減小3站附近的波谷強度有利。另外，A1尾鰭橫傾角為0°，并且尾鰭體積較肥，兩個尾鰭間的距離較近，對水流可能會有一定的干擾。總之，從阻力試驗可以看出：F4比F1明顯好，A3也比A1好。最后選取首尾組合F4A3和F4A1進行自航和伴流試驗。

從實船航速預(yù)報結(jié)果來看（如表4），當配以內(nèi)旋槳、在設(shè)計吃水12 m時，F(xiàn)4A3組合航速可達19.54 kn，滿足設(shè)計要求；而F4A1組合航速僅為19.23 kn，不能滿足設(shè)計任務(wù)要求。

表4 不同尾鰭方案狀態(tài)下預(yù)估的實船航速（內(nèi)旋槳）

從軸向標稱伴流等值線來看，見圖7，兩種組合高伴流區(qū)均出現(xiàn)在12點左右，峰值為0.6或0.7，但F4A3組合均勻性較好。首型F4與尾型A3相匹配明顯有較佳的阻力與推進性能。將F4A3組合線型在國外SSPA水池進行模型驗證試驗，得出相同結(jié)論。最終將F4A3組合線型確定為目標船線型。

4 結(jié) 語

22萬立方米大型LNG船雙尾鰭線型，在尾鰭間距一定時，尾鰭形狀的好壞對船舶性能影響較大。尾鰭采用向外傾斜的非對稱型，通過改變切向伴流產(chǎn)生預(yù)旋流，有效減小了尾部水流分離和縱向渦，提高了伴流分布的均勻性，并配以內(nèi)旋向的雙螺旋槳，提高了推進效率。優(yōu)選的前體與后體的有機結(jié)合，大大降低了本船的總阻力，提高了推進性能。同樣值得注意的是，雙尾鰭船尾部的伴流均勻性和伴流峰值，因尾懸體相當于懸臂梁，固定端的靜彎矩較大，將對激振力形成較強的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

［1］W.B.V.Berlekom，Twin skeg afterbodies can save fuel oil［Z］.SSPA Highlight N01-1984.

［2］勞國升等.秦申線淺吃水肥大船性能研究［C］.中國造船論文集，1985.

［3］孟憲欽等.淺吃水肥大船線型試驗研究［C］.中國造船論文集，1985.

［4］張大有等.雙尾鰭船型研究與發(fā)展分析［J］.船舶工程，2006（6）：58-62.

［5］宋家瑾等.淺吃水肥大型雙尾鰭船流態(tài)試驗研究［C］.中國造船論文集，1985.