基于流場仿真的中型郵輪艏型適應性分析

李雷雷，徐偉，曾志剛

(武漢長江船舶設計院有限公司，武漢 430062)

郵輪無論是設計還是建造都有極高的要求，并且非常重視外觀視覺，目前在航郵輪多數采用球鼻艏船型，在保證節能的同時，艏部水線以上大幅外飄，可提供足夠的甲板面積，減少甲板上浪，增加適航性，同時形成動感飄逸的外觀造型。隨著郵輪造型設計理念的變化及環保要求的不斷提高，郵輪船型設計在提升船舶性能的同時，也需開拓新的造型方案。國際上直型艏、后傾艏已經越來越多地應用于小型郵輪設計，出現了更加新穎的船型方案。在當今節能減碳的大環境下，從郵輪船型的發展態勢來看，環保節能化是趨勢，相對普通運輸船舶，郵輪設計航速相對較高，全船能耗也相對較大，船型節能更加重要。球鼻艏船型在各類運輸船型上的應用非常廣泛，直型艏船型近年來也得到了快速發展，主要源于貨船在主尺度不變的前提下載重量不斷增加，船型趨向于更加豐滿，而航速指標要求沒有降低，追求單位載重量營運經濟性的市場需求。國內公開發表的直型艏研究報道有關于低速肥大船型，直型艏在減小船舶興波阻力、破波阻力、黏壓阻力方面均有效果；直型艏散貨船在波浪中有優秀的阻力性能表現；還有江海直達散貨船的直型艏船型設計的水動力效果。中型郵輪船型特征及航速要求與低速肥大船型有較大差異，為分析中型郵輪對直型艏及球鼻艏船型的適應性，基于某型5萬總t級郵輪設計，應用CFD流場仿真方法，對不同艏型的流場及性能進行分析比較，并針對直型艏船型，在分析其減阻原理的基礎上，重點對水線長及橫剖面形狀的影響進行不同設計方案的分析，找出較優船型，為新船艏型設計提供支持。

1 船型基本情況

目標郵輪為1艘5萬總t級中型郵輪，主尺度參數以及航速、排水量要求見表1。

表1 目標郵輪主要參數

統計百余艘現有在航郵輪數據資料，3萬～7萬總噸范圍內的中型郵輪普遍在0.20～0.25之間，目標船型也在該范圍內，屬于中速船。該航速范圍內船舶興波阻力成分相比低速船更大，采用球鼻艏球船型可以通過球艏波系與船體的波系產生有利干擾，波峰波谷疊加，降低總波高，減小興波阻力。

目前在航中大型郵輪球鼻艏形狀多采用長球艏，并且由于對操縱性和振動噪聲有極其嚴格的要求，推進器普遍采用吊艙推進，為了適應推進器尾型通常采用底部較為平坦的方尾，部分郵輪還設有尾呆木。目標郵輪約為0.22，推進方式為吊艙推進，因此選取現有某長球艏方尾郵輪船型設計為母型。參考該母型完成目標郵輪球鼻艏船型設計方案BF1見圖1。

圖1 球鼻艏船型設計方案BF1型線

2 直型艏對比方案設計

根據郵輪近年來的發展趨勢，新建郵輪為了更高的適應性，比如,減小吃水以適應更多的港口等，部分郵輪的設計向豐滿發展，采用直型艏船型可以降低船體方形系數，改善船體表面曲度，改善性能。理論上直型艏水線長越長、越利于降低，船體表面流場越平順，對改善興波及黏性阻力越有利。但是水線長增加卻會造成濕表面積的增加，而船舶阻力又與濕表面積成正比。因此，水線長的長度不同，直型艏的阻力水平將會有很大差異。

為研究不同水線長對直型艏船型性能影響，對2個不同水線長方案設計直型艏線型，對比其流場及阻力差異?？紤]到郵輪布置及造價的影響，將水線長取值限制在目標郵輪原總長范圍內。

以球鼻艏船型方案BF1為基礎，水線長取230.6 m，(型寬30.0 m，設計吃水6.8 m)即艏柱前端取球鼻艏前端位置，設計直型艏方案ZF1，見圖2。

圖2 直型艏船型設計方案ZF1

為保持對比的合理性，保持BF1方案與ZF1方案尾部型線不變，即0站～16站線型完全相同，從17站開始首部線型不同。對于無球艏方案，根據設計經驗，該船型航速范圍內U形剖面比V形剖面更佳，因此ZF1直型艏方案艏部采用U形剖面。由于直型艏艏柱前移，考慮到工程實際情況，艏柱前移會導致全船鋼料用量略有增加，因此，ZF1方案排水量略大于BF1方案，船型方案的主要參數見表2。

同樣以BF1方案為基礎，水線長取236 m，即BF1方案的總長，設計直型艏方案ZF2，見圖3。

圖3 直型艏船型設計方案ZF2

ZF2方案線型在0站～16站與ZF1、BF1方案相同，從17站至艏部采用U形剖面，排水量比ZF1、BF1均略增大，見表2。

表2 船型方案ZF1、ZF2主要參數

直型艏的線型橫剖面形狀在水線以下借鑒球鼻艏設計可以兼顧球鼻艏船型的部分優勢，在中低速貨船上已經得到了驗證，對于方形系數相對較小的郵輪船型,在相對較高航速下該設計的性能未見詳細的報道。為此，基于ZF1、ZF2方案，改型設計出ZF3、ZF4方案。

其中ZF3方案與ZF1方案水線長相等、排水量相當，型寬、吃水不變，見表3。

表3 船型方案ZF3、ZF4主要參數

ZF3方案相比ZF1方案，在艏部17站以前部分剖面水線以下剖面呈球鼻狀，水線處更尖瘦，水線以下更豐滿，見圖4。

圖4 直型艏船型設計方案ZF3

同樣，ZF4方案與ZF2方案水線長相等、排水量相當，見表3。ZF4方案相比于ZF2方案，剖面形狀與球艏更加相似，見圖5。

圖5 直型艏船型設計方案ZF4

3 船型方案分析

船舶在水面運動的自由表面未知，采用重疊法計算船舶流場，不考慮船體興波的影響。對于黏性流體流場計算，按照流體狀態可以分為層流和湍流，郵輪實船航行中，達到了109級別，流場運動極不規則。因此，計算過程即使采用縮尺度模型，為保證雷諾相似仍需使用湍流模型。

BF1、ZF1～ZF4方案之間涉及到濕表面積的改變以及黏壓阻力(即黏性阻力成分之一)、興波阻力的不同。因此，仿真計算可以采用兩種不同的技術途徑：①使用理想流體計算對比不同方案之間的興波差異，再使用疊模法計算對比不同方案之間的黏性阻力差異；②使用帶自由液面的黏性流場仿真，同時對黏性阻力和興波情況進行對比。為減少計算次數，本文采用后者。湍流模型采用SST k-ω模型，邊界層近壁面問題采用壁面函數方法處理，根據經驗將值控制在30～100范圍內可以保證較好的計算精度。自由液面采用界面捕捉法中應用比較廣泛的VOF多相流模型來模擬。計算域大小為：船前約1倍船長，船后約2.5倍船長，側邊及底部約1.5倍船長，頂部約1倍船長，為減小計算量采用縮尺度模型。計算總阻力與經驗預報值相比相差低于5%，精度能夠滿足工程上船舶設計前期階段評估要求。

分別對BF1、ZF1～ZF4這5個船型方案建立模型并進行仿真計算，水面興波形態見圖6。

圖6 BF1、ZF1～ZF4船型方案水面興波比較

由圖6可見：ZF3、ZF4相比ZF1、ZF2，興波更?。籞F1、ZF2艏部興波遠高于ZF3、ZF4，且在靠近船體中部區域形成了更多的波峰波谷；BF1在球鼻上方興波高于ZF3、ZF4，低于ZF1、ZF2，但是在球艏后方興波明顯減小；BF1艏部波峰波谷數量比ZF1、ZF2、ZF3、ZF4均少，靠近船中部水面更加趨于水平。ZF2相比ZF1水線長增加，艏部興波高度也相對降低；同樣ZF4水線長比ZF3長，艏部興波高度也低于ZF3。

5個方案流線見圖7。

圖7 BF1、ZF1～ZF4船型方案流線比較

根據圖7可以看出，相比ZF1、ZF2，ZF3、ZF4流線更加平順，BF1則因為球艏的原因，局部有流線偏轉。

5個方案靜水阻力仿真計算結果見表4。

表4 靜水阻力仿真結果對比表

由表4可知，不同水線長的直型艏方案有明顯性能差異，ZF2相比ZF1水線長增加，濕表面積增加，摩擦阻力同時增加，但是剩余阻力明顯下降，并且總阻力及總阻力系數大幅下降，達到10%左右水平。對于不同橫剖面形狀的直型艏方案，橫剖面采用球艏形狀的ZF3、ZF4相比橫剖面采用U型剖面的ZF1、ZF2，濕表面積增加了，摩擦阻力系數降低了，摩擦阻力是增加的；但是剩余阻力明顯下降，總阻力也相對小。直型艏船型方案中，水線長相對較長且采用球艏形狀橫剖面的ZF4最優。

球鼻艏船型BF1在剩余阻力方面有明顯的優勢，且由于濕表面積不大，總阻力比直型艏船型ZF1、ZF2、ZF3、ZF4均小。直型艏中性能最優的ZF4與球鼻艏BF1相比，排水量增加約0.3%，濕表面積增加約1%，模型總阻力系數增加約0.6%，模型阻力增加約1.6%。

球鼻艏在航速較高的瘦削船型方面減阻效果主要體現在興波阻力方面。結合前述計算，分析認為：由于相對較高，興波阻力影響較大，目標郵輪采用球鼻艏方案可以充分發揮減阻優勢，阻力最佳。但是同時，采用較長水線長具有球艏橫剖面形狀的直型艏也有較好的性能。水線長增加，因為濕表面積增加造成了摩擦阻力的增加，但是由于降低了且平緩了進流段線型曲度，減小了黏性阻力；并且采用球艏橫剖面特征，兼顧了球艏的優勢，對降低興波阻力也十分有效；但是由于相對略高，直型艏在降低興波阻力方面不如球鼻艏方案，總阻力略高于球艏方案。對于中型郵輪，如果出于造型需要，也可以考慮使用直型艏船型，結合造型進一步優化水線長等參數提高阻力性能水平。目標郵輪基于該結論，綜合考慮各方面因素，采用了球鼻艏船型方案。

4 結論

船型阻力受到尺度、航速、型線優化水平的影響，不同條件下，不同船型適應情況會有差異。針對中型郵輪船型較瘦削，相對較高的特征，根據5萬總噸級郵輪方案船型仿真對比，得到結論如下。

1)在為0.22時，由于興波阻力影響仍占有重要地位，郵輪應用球鼻艏船型在減小興波阻力方面比直型艏有更明顯的作用，球鼻艏船型興波阻力比直型艏船型更小。

2)直型艏阻力水平受到水線長的影響較大，對于中型郵輪，采用較大的水線長可以降低，改善艏部線型曲度，降低剩余阻力，雖然由于濕表面積增加導致摩擦阻力增加，但水線長較長的船型總阻力更優。理論上應該存在一個最佳水線長，但是受限于目標郵輪的工程原因，并未找出最佳水線長。

3)在為0.22時，中型郵輪使用直型艏船型時，橫剖面采用球鼻形狀能夠起到更好的減阻效果，比采用常規U形剖面減阻效果更優。