超大型集裝箱船多工況點的最佳方形系數(shù)范圍探索

劉英良

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

超大型集裝箱船多工況點的最佳方形系數(shù)范圍探索

劉英良

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

近年來，世界對超大型集裝箱船多工況點兼顧的優(yōu)化設(shè)計越來越重視。文中采用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式、運用CFD手段，結(jié)合實際營運工況曲線對超大型集裝箱船線型進行多工況點阻力性能計算，引入每箱每海里油耗指數(shù)J，定量評估、探索最佳CB范圍，最終提出具有參考價值和推廣意義的多工況技術(shù)指標拆解方法和分析流程。

超大型集裝箱船；方形系數(shù)；多工況點優(yōu)化

引 言

超大型集裝箱船是近幾年來研究的熱點，本世紀以來，世界海運集裝箱容量平均以每年11%的速度增長，而集裝箱船的數(shù)量增長率只不過6%，這意味著集裝箱船正朝著大型化方向迅速發(fā)展。

2008年金融危機以來，節(jié)能減排以及船舶市場的持續(xù)低迷，使超大型集裝箱船市場競爭日趨激烈。大型集裝箱船的實際營運工況隨著載貨情況和航線等的變化，其變化范圍非常大。以歐美航線的統(tǒng)計值為例，載貨工況的載重量平均為0.65～0.70最大載重噸，航行工況主機運行功率(不包括進出港)約 為50%SMCR(Specified Maximum Continuous Rate，最大持續(xù)功率)。為了進一步節(jié)省營運中的燃油消耗，船東由以往只關(guān)注合同航速下的單點性能擴展到了同時關(guān)注多個航速點、多個吃水，即所謂的船舶營運工況曲線（Operation Profiles）的性能。

以往的集裝箱船一般為中高航速為主，CB比較??；如今，集裝箱船市場正朝著大型化、中低速化發(fā)展，CB也隨之變大。本文對超大型集裝箱船的線型進行了最佳CB范圍探索，提出了多點工況兼顧的優(yōu)化思路和分析流程，可為工程設(shè)計提供一定的參考。

1 超大型集裝箱船最佳CB范圍研究

傳統(tǒng)的集裝箱船航速較高，CB范圍一般比較小，隨著航速的降低，最佳CB值會增加，同時CB的增大也會使艙內(nèi)箱位增加，從而提高了船的載箱能力。對于超大型集裝箱船，100%的裝箱率是很少見的，通常只有70～80%，本文選取實際吃水14 t的標準集裝箱船的實箱數(shù)目作為其裝箱量的評價指標。對于最優(yōu)CB范圍的探討，根據(jù)阻力計算結(jié)果換算得到收到功率PD，從而得出每個集裝箱每海里航行的油耗指數(shù)，記為參數(shù)J，并將參數(shù)J作為主要船型經(jīng)濟性能評估依據(jù)。

1.1 母型船主要特征及多工況點兼顧評估方法

1.1.1 母型船主要特征

本文選取某大型集裝箱船為母型，其方形系數(shù)CB值約0.705，長寬比L/B值約5.878，寬度吃水比值約3.44，設(shè)計航速對應(yīng)的傅氏數(shù)約為0.21，屬于中高速船型。該船設(shè)計之初主要在設(shè)計航速區(qū)段進行了線型優(yōu)化，故其設(shè)計航速附近阻力性能良好。

圖1 母型船三維圖示

圖2 母型船特征

通過線型變換軟件GMS和NAPA對該船線型進行調(diào)整變換，共得到18個改型方案。為避免其他因素的影響，所改方案的主要線型特征基本不變，主要改動方式為基于CB的均勻變換，其方形系數(shù)范圍主要在0.600～0.730間分布。

1.1.2 多工況點兼顧的優(yōu)化策略

圖3是一個典型的船舶營運工況曲線，不同工況下的運營時間比率作為該工況的權(quán)數(shù)，通過每個工況下的阻力計算值加權(quán)得到該船型在特定營運工況曲線下的綜合阻力性能，從而以此為依據(jù)來評價船型阻力優(yōu)劣。本文主要考察了V1～V4共四個航速以及T1、T2兩個吃水下的阻力性能。為了便于推廣，給出V1～V4對應(yīng)的傅氏數(shù)Fr值：

圖3 典型的營運工況曲線

表1 考察航速對應(yīng)的傅氏數(shù)

1.2 Holtrop法初步估算

由于線型方案以及計算工況較多，故首先采用統(tǒng)計分析方法Holtrop法進行初步計算，篩選出阻力性能較優(yōu)的方案。需要說明的是，Holtrop法是一種統(tǒng)計回歸方法，不能反映線型細節(jié)對計算結(jié)果的影響。該方法是對1978年根據(jù)統(tǒng)計資料（300多艘單槳貨船）回歸分析得出的經(jīng)驗公式，其Fr數(shù)范圍限定為中低速船和部分高速船（Fr＜0.45）。船型尺度比和系數(shù)范圍如下：

CP：0.55～0.85； LWL/B：3.90～9.50； B/T：2.10～4.00。

該方法適用絕大部分中低速船，但是由于年代較久，故根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗考慮作了一定程度的修正。本文使用Holtrop法程序計算得到19個線型各8個工況的PD值，然后計算出每集裝箱每海里航行的油耗指數(shù)J，J的計算公式如下：

式中：PD為收到功率，kW；TEU為實際吃水14 t的標準集裝箱船實箱數(shù)；V為該工況下的航速值，kn。19個線型方案主尺度和主要線型特征基本沒變，CB均勻變換，得到線型的裝箱數(shù)也會相應(yīng)有所調(diào)整。

表2 Holtrop法計算結(jié)果

表2為Holtrop法得出的J值，根據(jù)航行時間比率作為權(quán)數(shù)進行加權(quán)，得到J_SUM綜合指標，每箱每海里的油耗指數(shù)越小，代表該船型經(jīng)濟性能越好。從表2挑選J_SUM值較小的四個線型CB8、CB9、CB10、CB11詳細進行CFD計算評估。

1.3 CFD計算評估

本節(jié)使用船舶阻力計算軟件Shipflow求解總阻力。為驗證軟件仿真的準確性，首先使用Shipflow軟件計算母型船總阻力值并與船模試驗值對比。

由表3可以看出，使用Shipflow軟件計算出的阻力系數(shù)和船模試驗結(jié)果比較接近，誤差在5%以內(nèi)。以此為基礎(chǔ)，計算CB8～CB11四個線型各4個代表工況的總阻力值，假定4個線型的推進效率都相等，得到如下?lián)Q算為J值的結(jié)果，J_SUM根據(jù)航行時間比率加權(quán)計算得到。

表3 軟件計算準確性驗證

根據(jù)表4的結(jié)果，我們可以看出CB9的J_SUM值最小。

由圖4可以看出，CB8的J指數(shù)曲線比另外三條曲線更高，代表其經(jīng)濟性能略差。CB9、CB10、CB11的三條曲線在V3速度點附近相交，CB9在低速段J值較小。綜合J_SUM值來看，CB9經(jīng)濟性最好，從而推知，基于每箱每海里油耗指數(shù)為評價指標的方形系數(shù)CB在0.680～0.690范圍內(nèi)的經(jīng)濟性能較好。

表4 CFD計算換算結(jié)果

圖4 CFD計算結(jié)果/每箱每海里油耗指數(shù) J 值曲線

2 結(jié) 論

對于集裝箱船來說，單點優(yōu)化已經(jīng)不能滿足其使用性能。為了更多節(jié)省營運中的燃油消耗，多工況點兼顧的優(yōu)化愈顯重要。最優(yōu)方形系數(shù)CB范圍的研究在國內(nèi)外船舶設(shè)計中較多，但是多工況點兼顧進行綜合優(yōu)化的方法卻很少見。

本文對超大型集裝箱船結(jié)合營運工況曲線進行多工況點的優(yōu)化，同時引入每箱每海里油耗指數(shù)J作為評價指標進行定量分析，從而得到一般超大型集裝箱船的最佳CB范圍。影響最佳CB范圍的因素和指標較多，本文以每箱每海里油耗指標作為評價標準，其結(jié)論雖然有一定局限性，但是文中提到的多工況技術(shù)指標的拆解和分析流程卻具有較好的參考和推廣意義。

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On optimized block coeff i cient range for ultra large container vessels under multiple operating points

LIU Ying-liang

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

In recent years, more and more attention is paid to the multi-operating-point optimization design for ultra large container vessels. By combining the traditional empirical formula with CFD tools, this paper carries out the multi-operating-point resistance evaluation of ultra large container vessels together with actual operation profile to find the optimized CBrange. Finally, it puts forward the index decomposition method by the multioperating technique and analysis flow, which has reference and promotion value.

ultra large container vessel; block coefficient CB; multi-operating-point optimization

U661.31

A

1001-9855（2014）01-0021-04

2013-10-29；

2013-11-11

劉英良（1988-），男，碩士在讀，主要從事艦船總體設(shè)計與研究工作。