16 000 m3 LNG船快速性優化及試驗

(1.中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設計院，上海 201203)

全球LNG市場需求旺盛，新型LNG船舶的設計及相關的研究工作備受關注[1-5]。本公司為推進長江LNG水上業務發展，開展了16 000 m3LNG船的研究，為了獲得較優的阻力性能，應用CFD和CAD軟件對16 000 m3LNG船進行優化，并通過實船的快速性試驗加以驗證和修正。

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

常規型雙槳船，在槳盤處的伴流分數較低，船身效率及推進效率亦低，且附體阻力也較大，本船將船尾改為類似于2個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計成2個艉部片體，使去流段水流分成兩側水流和船底縱流3個區域，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]。試驗表明，雙槳推進采用雙尾鰭線型對降低阻力和提高推進效率是非常有利的，與相應的單槳船相比可以降低10%～20%的主機功率。雙尾鰭型與常規型雙槳船相比，在阻力和推進方面均有一定的特點。從阻力方面看，雙尾船型的單個尾體寬度為整個船寬的40%～60%，因而相當于增大了長寬比，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，其內側是受限流場，外側是無限流場，兩側不對稱，通常產生一外旋流場，可獲得較高的推進效率。此外，常規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，得到較為顯著的節能效果。主要參數見表1。

表1 主要參數

2 性能優化方法

為最大限度地提高目標船的快速性能、降低其能耗水平，方法運用CAD軟件FRIENDSHIP-Framework結合CFD軟件Shipflow的方法，以初步線型為基礎，應用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，由此進行水動力性能的優化計算。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方法是將計算流場分為3個區域，近似模擬流體運動，具體劃分如下。

1)勢流區。基于Dawson理論中二階面元法進行勢流計算，并采用迭代技術滿足該流場自由液面的邊界條件。Dawson計算方法是線性化理論基礎，Shipflow采用的勢流方法在運用Dawson理論求得線性解后并沒有終止計算，隨后不斷地迭代重復上述過程，直到計算收斂，最終求得完全非線性解。

2)薄邊界層區。運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，建立動量微分方程沿流場邊界層厚度積分，勢流壓力的分布是計算的輸入，計算路徑可以從駐點開始，也可從給定站開始，求解湍流方程，對船體邊界層開展計算，能夠獲得船體中前部2/3船體上的摩擦阻力。

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

(1)

采用有限差分法作為該區域求解的數值方法，應用SIMPLE算法耦合壓力和速度，采用壁面函數以及k-ε兩方程的湍流模式。其中，上述勢流與邊界層計算結果作為RANS方程求解的邊界條件。

3 線型優化結果

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

圖3 優化前后橫剖面面積對比

圖4 優化前后縱剖面波高對比(沿船側)

圖5 優化前后縱剖面波高對比(y/Lpp=1.5)

圖6 優化前后縱剖面波高對比(y/Lpp=2)

圖7 優化型線與初始型線的表面壓力分布

由圖4～7可知，優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，數值計算結果也充分顯證了這一點，見表2。CW和CWTWC為兩種不同方法計算出的興波阻力系數值，CW來自船體表面的壓力積分，CWTWC由尾后截面積分計算得到。

表2 興波阻力系數值優化前后對比

綜上，通過線型的優化有效降低了本船的阻力，提高了快速性。

4 試驗分析方法

為了驗證流體模擬的計算效果，采用船模試驗驗證其阻力與推進性能。

4.1 相似理論

船模阻力試驗保持模型和實船的傅汝德數Fr相等，敞水試驗保持進速系數J相等。快速性試驗既有裸船又有螺旋槳，故須滿足Fr數和J相等。推導中部分符號定義如下。

L為船長，D為槳徑，V為船速，VA為進速，n為螺旋槳轉速，λ為縮尺比，ρ為流體密度，ω為伴流分數，t為推力減額分數，下標m表示船模，下標s表示實船。

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)兩式是船模快速性試驗應滿足的相似條件。

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

(5)

當船模以速度Vm航行時，預先對船模加一個強制拖拽力FD，即摩擦阻力修正值[7]，此強制力用于克服船模總阻力中大小為FD的部分，則螺旋槳發出的推力Tm僅需克服船模總阻力中剩下的部分(Rtm-FD)。如此處理后，船模快速性試驗系統中各種力都存在λ3的關系。

4.2 實船推進性能

采用三因次法[8]得到實船總阻力系數Cts。經過摩擦阻力修正，根據等推力法，得到船模的相關效率和系數。最后經過實槳敞水修正，得到實船推進效率為

(6)

式中：ηR為相對旋轉效率；ηH為船身效率。

實槳轉速為

(7)

實船的有效馬力為

(8)

實槳收到馬力為

(9)

上述計算結果需要采用功率因子Cp及轉速因子Cn進行修正，其數值由各水池根據自己積累的統計經驗資料決定。因此，修正后的實船試航性能預估如下。

轉速為

Nt=CnNs

(10)

收到馬力為

PDt=CpPDs

(11)

根據以上計算結果，即可繪制實船性能預報曲線，從而可知設計的船機槳是否匹配，航速能否滿足船東的要求。

5 試驗簡介

5.1 快速性試驗簡述

船模快速性試驗，一般是在阻力試驗和敞水試驗之后進行的，為滿足船模和實船邊界層中流動狀態相似的要求，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。試驗中，螺旋槳模型的轉速nm、推力Tm、轉矩Qm由動力儀測得，強制力z由阻力儀測得。船模速度即為拖車的前進速度，船模在速度Vm時阻力Rm已由阻力試驗求得。試驗為強制自航法，即船模在螺旋槳推力T和強制力z共同作用下進行的快速性試驗。阻力儀能夠自動調節強制力z，船模的前進速度和拖車速度Vm保持相等。本試驗共拖航了8個船速，對某一船模速度Vm，需要外加5個強制力，即z1、z2、z3、z4、z5。對于不同的強制力，為維持船模速度Vm而要求螺旋槳模型發出的推力Tm，轉速nm及轉矩Qm是不同的。因此對于一個速度需要試5次，且盡可能保持同一速度Vm。測量記錄數據由Vm、z、Tm、Qm及nm共5項，據此得到船模快速性試驗結果見圖8。根據公式(1)及縮尺比可得到對應航速Vm下的強制力FD值，由FD與對應航速Vm的交點即可得到船模在航速Vm時螺旋槳轉速nm、推力Tm和轉矩Qm。根據試驗結果分析推進效率的各種成分。

5.2 試驗結果

本次試驗考量的是船舶設計吃水時的性能，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結果，船體阻力見表4，有效功率見圖9。船體推進效率見表5，實船性能預報見圖10。

圖8 船模快速性試驗結果

表4 試驗所得船體阻力

圖9 有效功率

表5 船體推進效率

圖10 實船性能預報

本船電動機推進功率為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，此時推進效率ηDs=0.723 7。考慮15%SM工況，本船螺旋槳收到功率：PDt=4 008.2 kW，推進效率ηDs=0.720 2，在海水水溫15 °C，深水、無風、無浪、無流、無污底狀況下實船航速預報結果見表6。

表6 航速預報

由此可知：阻力試驗結果優于艾亞法估算結果，船體線型的剩余阻力系數低，即船體阻力性能優秀(剩余阻力系數是船體阻力性能的衡準)，船體尾部流場好，所以推力減額系數值低，船身效率ηHs高，螺旋槳效率η0s高，總推進效率也較高，最終能很好地達到預先設定的航速要求。按照型線優化結果的船模進行試驗，在計算要求的有效推進功率下，85%負荷時為15.15 kn，>15.00 kn；額定功率時為15.74 kn，既能滿足技術要求，又有良好的經濟性。

6 結論

本16 000 m3LNG船根據設計航速時傅汝德數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效率，并采用CFD手段對船體型線尤其球鼻首和雙尾鰭進行了優化，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分別降低69%和40%，顯著提高了推進效率。快速性試驗表明船型經過CFD性能優化能夠很好地實現降阻增速的效果。在試驗的基礎上對該船進行性能預報，結果表明，優化后的船型推進效率高、船機槳匹配度良好。