波浪增阻計算方法在船體型線優化設計中的應用

王艷霞，左成魁, 王 杉，陳京普

(1.中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011;2.江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇 無錫 214082;3.中海工業(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225221)

波浪增阻計算方法在船體型線優化設計中的應用

王艷霞1,2，左成魁3, 王 杉1,2，陳京普1,2

(1.中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011;2.江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇 無錫 214082;3.中海工業(江蘇)有限公司，江蘇 揚州 225221)

介紹MEPC65次會議中國提交的波浪增阻計算方法，并將其應用于某油船的型線優化設計研究中，比較分析計算結果和試驗結果，認為該計算方法用于指導風浪中的型線優化工作是行之有效的。

EEDI；風浪；型線優化；增阻

就綠色船舶而言，最大的挑戰是如何改善船體流體性能，降低燃油油耗。傳統上的船體優化主要以靜水中的油耗最小為目標[1-2]，但對于低速肥大型船(如VLCC)，傳統的優化做法會導致鈍球艏的產生，而鈍球艏最大的缺點就是波浪增阻非常高。近幾年越來越多的計算方法被用于計算船體風浪航行中的波浪增阻，2013年召開的海洋環境保護委員會第65次會議(簡稱"MEPC65")上中方提出了一種新的波浪增阻計算方法[3-4]，用于計算典型海況下船舶失速系數——EEDI(energy efficiency design index)。

考慮到真實海況并非風平浪靜，為了進一步降低船舶航行過程中的油耗，考慮風浪中阻力增加的船體型線優化設計研究得到了充分關注。在此過程中，將波浪增阻研究成果應用于船型設計已得到初步探索[5-7]。

本文簡要介紹MEPC65次會議中國提交的波浪增阻計算方法(MEPC65/4/11)。為了驗證該方法是否可以用于指導波浪中的線型優化工作，選取某油船為研究對象，采用數值計算與模型試驗相結合的手段，討論風浪中阻力增加的船體型線優化設計。

1 波浪增阻理論計算模型

1.1 規則波中增阻

船舶在規則波中阻力增值(Rwave)可以由水池模型試驗或者數值模擬方法，或者兩者結合的方法確定。采用數值方法時，Rwave主要由兩部分組成：船舶運動引起的阻力增值(Rwm)和波浪反射引起的阻力增值(Rwr)。規則波的波浪增阻傳遞函數Kaw的計算公式如下。

Rwave=Rwm+Rwr

(1)

(2)

式中：ρ——流體密度；

g——重力加速度；

ζa——入射波波幅；

B——船寬。

1)在STF切片法計算船舶運動的基礎上，采用Gerritsma 和Beuckman[8]輻射能法計算船舶運動引起的增阻Rwm。

2)采用文獻[9]計算Rwr。

式中：αd——計入有限吃水頻率效應的系數；

ω——入射波圓頻率；

V——船速；

a,b,c——鈍型系數，由水線形狀決定。

1.2 不規則波中波浪增阻ΔRwave

不規則波可以看成規則波的線性疊加，所以不規則波中波浪增阻ΔRwave可以通過頻率譜Sζ以及規則波中增阻Rwave進行線性疊加得到。

2 線型優化設計

選取某油船為低速肥大型船的典型代表，以其為研究對象，以蒲氏六級海況中的波浪增阻為目標函數，對其艏部線型進行優化設計。該油船的LPP/B、B/T和Cb分別為5.39、2.67和0.813。

線型優化設計過程中，保持艉部線型不變，主要改變艏部吃水附近的線型。水線面線型變化見圖1。圖1中標注了各方案水線艏端半進角。從水線長角度看，線型1方案最短，線型2、線型3和線型5方案最長，線型4方案居中。從水線艏端半進角來看，線型3、線型4和線型5這3個方案較接近，均在50°～52°附近，艏端形狀接近直線；而線型1和線型2方案較接近，在67°～70°附近，艏端形狀較豐滿。從整個水線進流段豐滿度看，線型5最瘦削，其他方案相當。

圖1 艏部設計吃水處水線

為了保持線型的光順，艏部設計水線形狀的改變必然引起設計吃水附近線型的變化，排水體積和濕表面積也會相應變化。表1是各線型方案主參數對比。下標注“0”表示線型1方案，S、▽和Cb代表濕表面積、排水體積和方形系數。可以看出，與線型1方案相比，其它方案的排水體積和濕表面積均有所減小，前者減小量在0.3%以內，后者減小量在1%以內。

表1 各線型方案主參數對比

3 計算結果分析

對5個設計方案進行性能評估。風浪中波浪增阻的計算采用文中介紹的方法。計算輸入參數見表2。

表2 計算參數

3.1 規則波中的波浪增阻傳遞函數

規則波波浪增阻傳遞函數對比見圖2。

圖2 規則波中波浪增阻傳遞函數對比(MEPC65/4/11計算方法)

由圖2可見計算結果存在以下規律。

1)在λ/LPP=1.0附近，5個方案的波浪增阻傳遞函數均達到峰值。比較5個方案的峰值可知，線型1最小，接著依次是線型2、線型3、線型4，而線型5最大。

2)對于短波區域(λ/LPP<0.5)，其數值約為峰值大小的1/2。5個方案中，線型1最大，接著依次是線型2、線型3、線型4，而線型5最小。短波區域的數值規律與峰值處正好相反。

3)對于長波區域(λ/LPP>2)，5個方案對應的波浪增阻傳遞函數幾乎相等。

4)圖2表明，波浪增阻傳遞函數的峰值隨航速的增大而增大。

3.2 不規則波中的波浪增阻對比分析

基于以上規則波中的研究結果，采用ITTC(1978)推薦雙參數波浪譜，計算得到5個線型方案的不規則波中的波浪增阻ΔRwave，見表3。

表3 波浪增阻ΔRwave相對變化數值結果對比 %

表3中的波浪增阻相對變化均是相對于線型1的變化，“-”代表下降。對比可知：相對于線型1產生的波浪增阻值，在計算航速范圍內(10.5～ 15.5 kn)，線型2下降5%～10%，線型3下降17%～20%，線型4下降21%～23%，線型5下降約31%～35%。結合圖2可知，雖然在λ/LPP=1.0附近線型5的波浪增阻傳遞函數最大，但短波部分線型5最小，最終線型5的波浪增阻值最小。

3.3 水池模型試驗

為了更好地驗證波浪增阻計算方法指導線型優化的有效性，選取線型1和線型5兩個方案在702所01拖曳水池開展波浪增阻模型試驗驗證。該水池主尺度為474 m×14 m×7 m(水深)，在水池一端布置了搖板式造波機，可模擬一定范圍內的規則波。兩艘船均為玻璃鋼船模。試驗中,規則波波高約為1/50模型垂線間長，波長船長比范圍是0.2～2.0。

結構吃水試驗航速范圍為10.0～15.5 kn。

模型試驗與數值計算得到的線型5與線型1的ΔRwave相對變化對比見表4。

表4 數值計算與模型試驗比較

由表4可見，針對兩個不同線型，文中所采用的波浪增阻計算方法得到10.5、13.0 kn時波浪增阻分別下降31%、33%，對應的模型試驗結果分別下降29%、30%。兩者從定性上是一致的，定量上波浪增阻改善程度也非常接近，能夠很好地滿足工程應用的需要。

數值計算結果與模型試驗結果的吻合，在一定程度上表明該方法應用于考慮風浪中阻力增加的船體線型優化設計研究中是可行的，但其普適性仍需要更多船型的驗證。

4 結論

1)采用文中方法計算波浪增阻時，各個優化線型的波浪增阻傳遞函數在短波區域低于初始線型，在λ/LPP=1.0附近均比初始線型高，在長波段各個方案差異較小。

2)優化線型之間波浪增阻相對變化趨勢與短波區域內波浪增阻傳遞函數的變化趨勢一致，這說明短波增阻對船舶的波浪增阻性能貢獻最大，這與文獻[8]結論一致。

3)文中采用的計算方法得到的波浪增阻變化趨勢與試驗結果一致，波浪增阻的變化量與試驗結果較接近，基本滿足工程實際需要。因此，該方法應用于考慮風浪中阻力增加的船體線型優化設計研究中在一定程度上是可行的，但它的普適性仍需得到更多船型的驗證；同時，多種波浪增阻計算方法在線型優化中的應用研究有待開展更多的比對和驗證工作。

4)該波浪增阻計算方法可以識別優化線型在波浪中性能的優劣，這在一定程度上可大大節約試驗成本、提高線型的優化效率，為波浪中的線型優化工作提供技術支持。

[1] 王艷霞,陳京普.基于CFD技術的工程船線型優化研究[C]∥第十一屆全國水動力學學術會議暨第二十四屆全國水動力學研討會論文集.全國水動力學研討會,2012，1060-1066.

[2] 程紅蓉,陳京普，王艷霞，等.幾種船型優化手段在節能船型開發中的應用[J].中國造船,2012，(S1)：31-39.[3] Marine environment protection committee.Considerations on the interim guidelines for the calculation of the coefficient fwor for decrease in ship speed in a representative sea condition[C].MEPC 65/4/11,2013.

[4] Marine environment protection committee. Draft alternative interim guidelines for the simulation for the coefficient fw for decrease in ship speed in a representative sea condition[C].MEPC 65/INF.21,2013.

[5] 張寶吉.基于靜水阻力和波浪增阻的全船線型優化[J].華中科技大學學報,2011,39(10):32-35.

[6] Daniel Edward Nord?s.Optimization of bow shape of large slow ship[D].Norwegian University of Science and Technology,2012.[7] 王 杉,陳京普,魏錦芳,等.船舶CAD-CFD接口開發與應用研究[J].船海工程,2014,43(2):35-38.

[8] GERRITSMA I J,BEUCKLMAN W.Analysis of the resistance increase in waves of a fast cargo ship[J].International shipbuilding Progress,1972,19(217):285-293.[9] WENYANG DUAN,CHUANQING LI.Estimation of Added Resistance for Large Blunt Ship in Waves[J].Journal Marine Sci.Appl.2013(12):1-12.

Application of Added Resistance Method in Ship Hull Form Optimization

WANG Yan-xia1,2, ZUO Cheng-kui3, WANG Shan1,2, CHEN Jing-pu1,2

(1 China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China;2 Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology, Wuxi Jiangsu 214082, China;3 China Shipping Industry (Jiangsu) Co. Ltd., Yangzhou Jiangsu 225221, China)

In order to further optimize the energy-consumption of ship, the ship lines optimization design is studied considering added resistance due to waves and winds. The calculation method of added resistance due to waves in MEPC65 is introduced, which is applied to optimize the lines of a crude oil tanker. The analysis results show that the calculation method is reliable and successful to direct the lines optimization study in waves and winds.

EEDI; waves and winds; lines optimization; added resistance

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.017

2014-08-19

工業和信息化部資助項目

王艷霞(1980-)，女，碩士，高級工程師

U662

A

1671-7953(2015)01-0068-04

修回日期：2014-09-02

研究方向:船舶概念設計

E-mail:wangyanxia@702sh.com