斧首船型線優化設計研究

房 建，盧 通

（1．江南造船（集團）有限責任公司，上海，201913； 2．廣州船舶及海洋工程設計研究院， 廣州，510250）

1 前言

高性能船舶的設計和研發，一直以來都是船舶設計的一大難點，開展高性能船舶的設計和優化，對未來船型發展具有重要意義[1]。斧首船作為一種能夠兼顧船舶快速性和耐波性的優良船型，能夠滿足海上高速船的運營需求，并具備快捷舒適的航行性能，在惡劣海況下也具有更強的適應性，因此開展斧首船的水動力特性研究，能夠給該類船型線設計提供優化思路[2]。

2 斧首船型線特點

2.1 型線設計的基本要求

一般來說，在進行船體型線設計時，首先應根據船舶的使用需求確定主尺度參數，主尺度參數影響船體水動力性能[3]，尤其是高速排水型船舶，其棱形系數Cp=▽/LdB、修長系數Φ=L/▽(1/3)、寬吃水比B/d 和長寬比L/B 等，對船體阻力和耐波性都會產生重要的影響。因此高性能船舶設計時，將船體的水下部分型線設計得較為瘦長，并對船舶型線進行優化，使得船舶在相同主尺度時具有最佳的快速性和耐波性。

2.2 型線基本特點與優化方向

斧首船主要得名于特殊的首部設計，其整體線型呈深V 狀，首部水線寬非常小，首柱往往需要延伸至水線以下，且首部舷弧較高，中縱剖面近似為斧頭的形狀。由于斧首船首部與水線垂直，船舶的水線長較同尺度船舶更長，因此其快速性能往往更好。由于其首部具有一定的下沉深度，能夠有效的改善船舶的橫搖和首部興波[4]。

在進行斧首船型線設計時，可將船體分為前半體和后半體，后半體保持完整深V 線型，前半體按照斧首船的船型特點進行設計。如圖1 所示為一型典型的斧首船橫剖線圖。根據船體型線的主要特點，可確定目標船型線優化的基本要素：橫向底升角、尾封板浸水深度、折角線長寬比、首部下沉深度。其中，首部輪廊按照斧式首的特點進行設計，尾封板浸濕深度和折角線長寬比與橫向底升角度有較強的聯系，因此斧首船型線的主要優化控制因素為橫向底部斜升角和首部下沉深度。本文主要針對斧首船型在不同的橫向底部升角和首部下沉深度下的阻力及耐波性能，進行對比分析研究[5]。

圖1 斧首船型

3 斧首船型線優化設計

根據斧首船型線的基本特點，首先運用maxsurf 進行船體型線設計，并根據優化研究的方向進行適當的型線變化。型線設計變換，主要針對尾部底部升角和首柱下沉深度，同時運用CFD 進行船體快速性和適航性分析。由于船型主尺度參數對于船體性能具有較大的影響，因此本文在進行影響研究時，始終保證船體的基本參數一致。

目標船的主尺度要素如下：

總長 55.0 m

型寬 7.0 m

型深 3.5 m

吃水 ～2.00 m

設計排水量 337 t

3.1 網格無關性分析

在開展優化設計前，首先應對本文數值計算模型進行網格無關性分析。如圖2 所示，運用Star CCM+劃分斧首船仿真分析模型的網格，并對自由液面進行細化用來捕捉斧首船的航行特點。

圖2 計算域網格劃分

本文建立的數值水池控制方程采用N-S 方程，并采用湍流方程RNGk-e 模型對控制方程封閉；在進行船舶航行計算中，采用VOF 方法捕捉自由液面；同時開展了網格基數為80 萬、120 萬、160 萬、180 萬的數值模型計算，計算結果見表1 和圖3。

表1 總阻力計算結果

圖3 不同網格數CFD 計算結果對比

從表1和圖3可以看出，當網格基數達到160萬后，總阻力結果基本不變，因此在后續的仿真計算中網格基數應不低于160 萬，能夠有效的保證計算誤差較小。

3.2 底部斜升角對快速性的影響

首先基于Maxsurf 修改斧首船尾部的底部斜升角為0°、5°、10°、15°，修改過程中首部型線基本保持不變，如圖4 所示。

圖4 不同底部斜升角橫剖線

將設計好的型線進行建模封閉開展CFD仿真計算。本船的設計航速為32 kn、巡航航速為18 kn，快速性影響研究中開展了12～34 kn 范圍的阻力預報，見表2所列。

表2 總阻力計算結果

圖5 給出了仿真結果和船型變化的阻力對比。從對比圖可以看出：在航速較低時，底部斜升角的變化對斧首船阻力的影響十分有限；當航速超過28 kn 后，底部斜升角為0°、5°、10°的阻力差距仍較小，但底部斜升角為15°的船體在高航速段的阻力增加相對較大。

圖5 不同底升角，斧首船阻力

對比四種船型的航行縱傾角，也可以發現類似的規律，見圖6 所示。

圖6 不同底升角，斧首船縱傾角

從圖6 中可以看出：斧首船航行時的縱傾角隨航速的增加而增加，當航速大于28 kn 后，縱傾角變化不明顯；底部斜升角為0°時，高速航行時縱傾角的變化最小；相對于0°、5°的航行縱傾角，尾部斜升角為10°、15°縱傾角較小。

此外，對比四種線型的尾部平均砰擊載荷可以發現：尾部斜升角較大時，底部砰擊載荷明顯減小；底部斜升角增加至10°以上時，船體阻力增加，但尾部砰擊明顯減小，因此在實際設計時需綜合考慮底部斜升角，如圖7 所示。

圖7 不同底升角，尾部抨擊載荷

3.3 首柱下沉深度對阻力和耐波性的影響

如上所述，底部斜升角減少時，對阻力有一定改善，但尾部砰擊明顯增大，對耐波性有一定影響，因此需進一步展開耐波性優化的研究，期望通過變化首部型線對耐波性進行優化。

本文通過變換首柱下沉深度，改變其首部流動狀態，探究其首部形式對耐波性的影響。在開展首部型線的研究中，底部斜升角為5°，從而保證尾部型線對船舶快速性最有利。圖8 給出了首部下沉深度為0.5 m 和1 m 時的縱剖線圖。

圖8 兩種首部下沉深度縱剖線

在耐波性研究中，波浪場波高為1 m，波長為20 m、40 m、60 m、80 m、100 m；船保持迎浪航行，航速為18 kn。

將兩種首部線型的模型進行CFD 仿真計算，并重點關注船的垂蕩、縱搖、尾部砰擊壓力、首部興波、垂向加速度等耐波性指標。

圖10 不同下沉深度縱搖運動幅值對比

圖11 不同下沉深度垂向加速度幅值對比

圖9～11 分別為兩型斧首船迎浪航行時的的垂蕩、縱搖、垂向加速度的對比圖。從圖9～11 中可以看出：兩型船的運動響應幅值，均隨遭遇波浪的波長先增大后減小。其中波長船長比為1.2 時，縱搖和垂向加速度最大；波長船長比為1.5 時，垂蕩運動最明顯；垂蕩運動并未因首部線型變化而出現較大差異，但首部下沉深度為1 m 時，重心位置的垂向加速度更大。

圖9 不同下沉深度垂蕩運動幅值對比

圖12 對比了兩型斧首船迎浪航行時首部波浪上涌高度。首部波浪上涌高度均隨遭遇波浪波長的增大，先增大后減小，首部興波高度在下沉深度為1 m時更小。

圖12 不同下沉深度首部波浪上涌高度

綜上可知，下沉深度為1.0 m 的垂蕩及垂向加速度更小，且首部下沉深度增大后，船體在遭遇短波時的縱搖運動響應也變小了，因此下沉深度為1.0 m 的耐波性要優于下沉深度0.5 m。

4 總結

本文在Fr=0.266～0.753 范圍內，分別研究了斧首船型底部斜升角的靜水阻力變化；并在巡航航速（Fr=0.398）下，討論了首部下沉深度變化對斧首船耐波性的影響，獲得了斧首船型線設計的相關結論：

（1）底部斜升角在0～10°時，船總阻力并不會發生明顯的增加；當底部斜升角度大于10°時，總阻力迅速增加；

（2）底部斜升角度大時，尾部的砰擊載荷相對較弱；底部斜升角增大，會降低船體的快速性；

（3）首部興波高度及波浪誘導運動響應幅值，均隨遭遇波浪的波長增大，先增大后減小；

（4）首部下沉深度增加時，首部興波高度、垂蕩及重心位置的垂向加速度均減小，下沉深度為1.0 m 的耐波性要優于下沉深度0.5 m；

（5）斧首船型線設計時，應綜合考慮運營海域的環境。對快速性要求較高時應采用首部下沉深度小、尾部底斜升角小的方案；對于耐波性和適航性要求高的船舶，應適當增加底部斜升角和首部下沉深度。