一種無壓載水船船型與阻力性能優(yōu)化

汪 敏，吳靜萍

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063)

船舶壓載水的污染控制已經(jīng)成為國際航遠(yuǎn)刻不容緩的議題。解決壓載水污染問題的根本辦法就是開發(fā)無壓載水船(ballast free Ship，BFS)船型，改變傳統(tǒng)船舶需要加載壓載水來調(diào)整浮態(tài)的需求，從而根本解決因攜帶外來生物的壓載水四處排放給海域帶來生態(tài)環(huán)境危害的問題。壓艙水處理存在種種問題，使得設(shè)計(jì)制造無壓載水舶舶，從根本上消除船舶壓載水跨越海洋運(yùn)輸而造成的污染，顯得極其重要。本文借鑒荷蘭單一船身形式，結(jié)合雙尾鰭船型，以某一35 000 DWT散貨船為母型船，對(duì)其進(jìn)行無壓載水船型開發(fā)，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)船型進(jìn)行阻力性能優(yōu)化，為開發(fā)無壓載水船型提供必要的研究基礎(chǔ)。

1 荷蘭無壓載水船舶單一船身船型

目前，日本、美國和荷蘭均開展了對(duì)無壓載水船舶的研究與開發(fā)［1-2］。其中，荷蘭采用單一結(jié)構(gòu)船身(monomaran hull)的設(shè)計(jì)方案，其船底從貨艙區(qū)域就開始設(shè)置一個(gè)向后開放的內(nèi)凹，形狀猶如一只倒置的前封后開的拖鞋。這種船型可以促使船舶輕載時(shí)產(chǎn)生較大的水尺;但是這種設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)是與傳統(tǒng)船型相比，其船身濕面積大幅度擴(kuò)大，通過船底兩側(cè)向下排放發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣所產(chǎn)生的空氣潤滑作用，使得這一不足之處可以降到最低限度;還可讓廢氣中的二氧化碳、一氧化碳、各種顆粒污染物和硫化物溶解在海水中，從而減少船舶對(duì)空氣和港口環(huán)境所造成的威脅。目前這種單一結(jié)構(gòu)船身型船舶已經(jīng)在荷蘭代爾夫特大學(xué)試造成功，其載重量為4 000 t，船速為14 kn，沒有壓水艙，從試航檢測(cè)來看，基本上達(dá)到所謂真正無壓艙水船舶的標(biāo)準(zhǔn)。

2 無壓載水船船型開發(fā)

2.1 無壓載水船線型建立方法

傳統(tǒng)船舶設(shè)置壓載水艙是為了船舶在空載的情況下，利用壓載水，使得空船有足夠的吃水，保證螺旋槳的一定浸深，這樣才能保證螺旋槳的效率。因此，所提出的無壓載水船型，首先要解決的問題就是如何在無壓載的情況下，保證螺旋槳在水線以下。解決這個(gè)問題的根本就是減少船體空載水線以下的排水體積以及采用小螺旋槳直徑。這樣在非滿載時(shí)，相對(duì)滿載吃水，船舶吃水的變化不會(huì)很大，而且保證螺旋槳有一定的浸深。通過加大船長、船寬和型深來補(bǔ)償所減小的水下排水體積。

本船型遵循以上原則，以武漢理工大學(xué)華東船舶設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)的35 000 DWT級(jí)散貨船為母型船，借鑒荷蘭代爾夫特大學(xué)的單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計(jì)方案并結(jié)合雙尾鰭進(jìn)行型線設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)船型線的設(shè)計(jì)基于設(shè)計(jì)水線下母型船的橫剖面面積曲線基本不變的前提進(jìn)行，對(duì)母型船的底部型線進(jìn)行倒“凹”形修改，適當(dāng)減少空載水線下的排水體積，同時(shí)增大船寬，變換后設(shè)計(jì)船的橫剖面面積曲線和母型船基本保持一致。

如圖1所示，為保證排水量不變，對(duì)于設(shè)計(jì)船的船中橫剖面面積，其內(nèi)凹面積A，即所減少面積，應(yīng)等于增加船寬后的補(bǔ)償面積B。

圖1 無壓載水船線型改造方法

先利用Napa軟件建立母型船船型的三維模型，然后在母型船模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行無壓載水船型改造。

2.2 無壓載水船船型參數(shù)的確定

2.2.1 船型應(yīng)滿足的規(guī)范要求

1)尺度比要求。本船型應(yīng)滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》中對(duì)尺度比的要求，即

2)浮態(tài)要求。本船應(yīng)滿足MARPOL中對(duì)浮態(tài)的規(guī)定要求，即

艏部最小吃水≥2.00+0.02 L;

縱傾值≤0.015 L;

螺旋槳浸深≥100%。

將以上要求作為船型改造中船型參數(shù)的邊界條件。由于區(qū)域A的面積過大，會(huì)造成設(shè)計(jì)船的濕表面面積大幅度增加，從而使船舶阻力增大較多，綜合考慮雙尾鰭型線的光順和艉部縱向水流的順暢，取設(shè)計(jì)船的船寬為30 m，船底內(nèi)凹高度H為1.5 m。

2.2.2 船舶艏部型線的特征

為了保證螺旋槳的浸深，設(shè)計(jì)船在空載工況下，有一定的艉傾很有好處。因此，設(shè)計(jì)船的艏部型線水下部分較母型船肥大。這樣處理是為了使船舶的浮心前移，從而產(chǎn)生足夠的艉傾力矩，保證螺旋槳的沉深。

2.2.3 船舶雙尾鰭型線

設(shè)計(jì)船艉部采用雙尾鰭線型，阻力性能好、推進(jìn)效率高、船體振動(dòng)小和操縱性好，同時(shí)由于雙尾鰭船型采用雙機(jī)、雙槳、雙舵，從而不僅使得螺旋槳的直徑大大減小，降低了其沉深高度，而且艉下沉和淺水阻力也較小，這是本設(shè)計(jì)船采用雙尾鰭線型的主要原因之一。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，確定雙尾鰭設(shè)計(jì)的主要參數(shù):艉軸高度、底切點(diǎn)位置及艉軸間距，進(jìn)行多次光順與修改，最終確定新的無壓載水船船型。橫剖線圖見圖2，設(shè)計(jì)船與母型船的參數(shù)對(duì)比見表1。

圖2 無壓載水船橫剖線圖

表1 設(shè)計(jì)船與母型船各參數(shù)對(duì)比

3 Fluent優(yōu)化船舶阻力性能

為了改進(jìn)本船的阻力性能，首先通過數(shù)值模擬計(jì)算分析船體周圍流動(dòng)，然后對(duì)船體進(jìn)行改進(jìn)。本船粘性數(shù)值模擬是應(yīng)用商業(yè)CFD軟件FLUENT，研究粘性模式的選取對(duì)模擬船體表面流動(dòng)分離的影響，探討船型改進(jìn)前后，船艏、船舯凹入部分和船艉這三處的流線分布和船舶總的粘性阻力比較。

3.1 數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算船舶粘性阻力問題假設(shè)遠(yuǎn)前方均勻來流流過重疊的船模，來流水是粘性不可壓縮的;又由于船體左右對(duì)稱，在新的船型設(shè)計(jì)初級(jí)階段，可取重疊模的1/4，即半個(gè)船體為計(jì)算模型。邊界條件設(shè)置為:入口邊界為均勻速度入口，出口邊界設(shè)為壓強(qiáng)出口，船體表面設(shè)置為不可滑移的壁面條件，計(jì)算域的其它的外邊界面設(shè)置均設(shè)為對(duì)稱面。

為了較好模擬船體周圍流場(chǎng)的流動(dòng)分離等漩渦流動(dòng)現(xiàn)象，采用非定常的大渦模擬的數(shù)值方法解該船舶的定常繞流問題。離散格式選用SIMPLC離散壓力修正方程，其它均為二階迎風(fēng)格式。涉及湍流度的參數(shù)選擇(或計(jì)算)在中強(qiáng)度范圍的數(shù)值，收斂標(biāo)準(zhǔn)的值取1×10-5，其它參數(shù)為軟件自定義的數(shù)值據(jù)。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

1)船艏型線優(yōu)化。圖3顯示了改型前后船艏部流線示意圖。從圖3a)可以看出，從球鼻艏流向船底的流線，沒有全部順沿船體表面凹進(jìn)去的形狀走，有部分直接從船體分離了，勢(shì)必會(huì)在此引起漩渦，這顯示船體表面流動(dòng)不順暢，此處外形需要修改。從圖3b)可以看出，經(jīng)過修改后流線得到明顯改善。

圖3 艏部流線

2)船舯型線。船艏底部在船舯凹處部分向船后逐漸加寬，圖4給出了改型前后此附近的流線。從圖中可見，流線有從船舯向船側(cè)的走向，這會(huì)導(dǎo)致船底產(chǎn)生橫向渦。修改后，這部分的流動(dòng)有一定改善，但有必要做進(jìn)一步的型線優(yōu)化。

圖4 船舯內(nèi)凹處在中縱剖線附近的流線

3)船艉型線。在船艉，船體中縱剖線從基線抬升。對(duì)于雙艉鰭船，在隧道處，抬升過快必會(huì)造成嚴(yán)重的流動(dòng)分離，產(chǎn)生漩渦，增加阻力。圖5給出了改型前后尾部靠近中縱剖面隧道附近的流線。從圖中可見，改型后，流線旋轉(zhuǎn)減緩，此處流動(dòng)分離有改善，但還需進(jìn)一步修改。

圖5 船艉流線

4)總阻力系數(shù)。表2給出的是改型前后兩條船的總阻力系數(shù)Cr的變化。由表2可見，改型后的船舶粘性總阻力系數(shù)減小了。改型后船舶的阻力性能得到了一定程度的改善。

表2 改型前后粘性總阻力系數(shù)比較

式中:R——總阻力;

ρ——水的密度;

s——船體濕表面積，改型前為0.397 m2，改型后為0.401 m2。

本船應(yīng)用FLUENT軟件模擬繞船體的粘壓流動(dòng)，通過流線顯示輔助改進(jìn)了船體外形，改善了船體的阻力性能［4］。

4 結(jié)論

1)本船型能有效降低螺旋槳直徑，減少空載水線以下的排水體積，濕表面積增加較多，從船中就開始的尾鰭，使得貨艙容積減少較多。

2)通過數(shù)值模擬計(jì)算分析船體周圍流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在船中尾鰭開始處，流線有從船中向船側(cè)的走向，這會(huì)導(dǎo)致船底產(chǎn)生橫向渦，因此該處是船型修改與優(yōu)化的重點(diǎn)。

3)本文僅進(jìn)行了初步研究，后續(xù)如:耐波性分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)性包括破艙穩(wěn)性的校核、船型的模型實(shí)驗(yàn)研究等，還有很多研究工作要做。

［1］KOTINIS M D.Development and investigation of the Ballast-free Ship concept［D］.University of Michigan.2005.

［2］薛連勝.無壓載水船舶［J］.船舶與設(shè)備，2007(6):22-23.

［3］張大有，朱濤.雙尾鰭船型研究與發(fā)展分析.船舶工程［J］，2006(6):58-61.

［4］徐 峰，汪 敏，劉家新.靈便型無壓載水艙散貨船船型開發(fā)與研究［J］.船海工程，2012(1):22-24.