集裝箱船球鼻艏改型設(shè)計(jì)方法

周 敏

(上海華潤(rùn)大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

集裝箱船球鼻艏改型設(shè)計(jì)方法

周 敏

(上海華潤(rùn)大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

文章利用CFD數(shù)值模擬仿真計(jì)算，對(duì)主動(dòng)降速航行后的集裝箱船進(jìn)行球鼻艏改型設(shè)計(jì)，并將計(jì)算結(jié)果通過(guò)船模試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，使船舶球鼻艏改型后的綜合阻力降低5%。

球鼻艏;改型；綜合阻力；CFD

為應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期低迷的航運(yùn)市場(chǎng)以及國(guó)際社會(huì)節(jié)能減排要求，航運(yùn)公司千方百計(jì)地降低已經(jīng)營(yíng)運(yùn)船舶的能耗，行之有效的方法之一是集裝箱船主動(dòng)降速后進(jìn)一步開展球鼻艏改型工程。

1 球鼻艏改型設(shè)計(jì)方法

1.1 CFD模擬計(jì)算簡(jiǎn)介

影響船舶阻力的因素很多，原因也非常復(fù)雜,本文沒(méi)有考慮船舶縱傾調(diào)整[1]及其它因素對(duì)總阻力的影響，僅將船體在水平正浮狀態(tài)下航行時(shí)的綜合阻力作為單一設(shè)計(jì)指標(biāo)。筆者將圍繞船體的流場(chǎng)劃分為不同的區(qū)域，針對(duì)不同區(qū)域采用相應(yīng)的CFD計(jì)算，獲得實(shí)船總阻力預(yù)測(cè)值[2]，最后通過(guò)船模試驗(yàn)對(duì)CFD模擬計(jì)算結(jié)果精度進(jìn)行驗(yàn)證。如圖1。

圖1 船體周圍流場(chǎng)劃分及計(jì)算

以某型6 600 TEU集裝箱船為例，其總長(zhǎng)為285.80 m，型寬為40.00 m，型深為24.60 m，設(shè)計(jì)吃水為12.00 m。首先需確定原球鼻艏的切割位置，為了節(jié)省改型成本，首次切口位置相對(duì)靠前，如圖2中切割線1所示。如圖3所示，將球鼻艏的長(zhǎng)度、寬度、高度和形狀等設(shè)計(jì)參數(shù)在原球鼻艏線型基礎(chǔ)上按照步長(zhǎng)沿X、Y、Z方向分別遞增或遞減形成新的球鼻艏特征參數(shù)，見(jiàn)表1。將原球鼻艏線型最前端向后9.00 m作為原始球鼻艏長(zhǎng)度，新球鼻艏長(zhǎng)度Xb在7.0～11.00 m的范圍內(nèi)以0.50 m的長(zhǎng)度變化；原球鼻艏線型最前端處的高度值為11.54 m，新球鼻艏最前端的高度值Zb在10.40～12.00 m范圍內(nèi)以0.20 m的長(zhǎng)度變化；特定橫剖面處距基線某高度處的球鼻艏線型班半寬值為Y1、Y2，原球鼻艏線型的Y1、Y2值設(shè)為0，新球鼻艏的Y1、Y2值的范圍在-1.00～+1.00的范圍內(nèi)以0.20 m的長(zhǎng)度變化。然后利用NAPA軟件根據(jù)新生成的特征參數(shù)Xb、Zb、Y1和Y2自動(dòng)生成球鼻艏型線并進(jìn)行曲面光順[3]，然后再將建好的三維模型導(dǎo)入StarCCM+軟件進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算。因船體沿中線面對(duì)稱，故只需對(duì)一半船體進(jìn)行建模。CFD計(jì)算域設(shè)定為船首向前1個(gè)船長(zhǎng)，船尾向后2個(gè)船長(zhǎng)，左舷1個(gè)船長(zhǎng)，水面上下各1個(gè)船長(zhǎng)，計(jì)算域中劃分的單元數(shù)量約180萬(wàn)個(gè)。

圖2 球鼻艏切口位置

圖3 球鼻艏特征參數(shù)

表1 球鼻艏特征參數(shù)變化表 m

1.2 CFD數(shù)值模擬計(jì)算船舶工況點(diǎn)的確定

將船舶的航速劃分成4個(gè)區(qū)段，如表2所示，每個(gè)航速區(qū)段輸入CFD軟件進(jìn)行模擬計(jì)算的代表航速分別為17.0 kn、19.0 kn、21.0 kn和原設(shè)計(jì)航速25.6 kn；船舶的航行吃水也劃分成4個(gè)區(qū)段，CFD數(shù)值模擬輸入值分別為9.00 m(75%設(shè)計(jì)吃水)、12.00 m(100%設(shè)計(jì)吃水)、13.25 m(110%設(shè)計(jì)吃水)以及14.50 m(結(jié)構(gòu)吃水)。假設(shè)i代表航速分組，j代表吃水分組，范圍均為1～4，則船舶航行的全部工況由16個(gè)工況點(diǎn)表示，每一個(gè)工況點(diǎn)下的船舶阻力設(shè)為R(i,j)。每個(gè)工況的實(shí)際航行時(shí)間占全部航行時(shí)間的百分比用T(i,j)表示，由船東根據(jù)長(zhǎng)期記錄及經(jīng)驗(yàn)匯總提供。

表2 船舶各工況實(shí)際航行時(shí)間占全部航行時(shí)間百分比統(tǒng)計(jì)表

1.3 最優(yōu)球鼻艏方案篩選

利用船舶改型后的多個(gè)速度工況點(diǎn)[4]的綜合阻力值對(duì)球鼻艏方案篩選，初始篩選時(shí)可以選取單一工況點(diǎn)，然后再逐步增加計(jì)算工況點(diǎn)的覆蓋范圍，最終的方案將計(jì)算全部16個(gè)工況點(diǎn)，用以評(píng)估節(jié)能效果。以6 600 TEU集裝箱船為例，首批篩選工況點(diǎn)為吃水12.00 m、航速19.0 kn工況下的綜合阻力R(2,2)，可以發(fā)現(xiàn)該工況下球鼻艏阻力性能改善的趨勢(shì)為長(zhǎng)度Xb增加，球鼻艏最前端高度Zb降低。然后分步驟增加計(jì)算R(2,1)和R(2,3)不斷淘汰較差方案，待篩選剩余方案數(shù)量下降到個(gè)位數(shù)時(shí)，選取表2中航行時(shí)間占到了總航行時(shí)間的54%的4個(gè)具有代表性的工況，計(jì)算R(1,2)、R(2,2)、R(4,2)以及R(1,4)的綜合阻力，來(lái)確定最佳球鼻艏方案。最后對(duì)該最佳方案16個(gè)工況點(diǎn)的全部阻力進(jìn)行CFD計(jì)算，得出各工況下新舊船型阻力變化百分比，判定該次設(shè)計(jì)是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

設(shè)計(jì)結(jié)果顯示按照?qǐng)D2中切割線1設(shè)計(jì)出的球鼻艏最佳方案的CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果綜合阻力僅下降了3.7%，未達(dá)到5%的設(shè)計(jì)要求。故重新調(diào)整切口位置到圖2中的切割線2，使換新部位沿縱向長(zhǎng)度擴(kuò)大4.05 m，回到初始設(shè)計(jì)起點(diǎn)，最終CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果綜合阻力如表3所示，相對(duì)原船下降了5.9%，相當(dāng)于每天少消耗燃油3.8 t，達(dá)到球鼻艏改型設(shè)計(jì)要求。

表3 球鼻艏在切割線2位置改型后16種工況阻力變化匯總表

1.4 船舶阻力分析

6 600 TEU集裝箱船球鼻艏改型后的船體阻力模擬計(jì)算預(yù)測(cè)值顯示，在高于20.0 kn的航速范圍內(nèi)，吃水越深船舶阻力越大，在低于20.0 kn的航速范圍內(nèi)，吃水越淺阻力越大。球鼻艏改型后，船舶在低于設(shè)計(jì)吃水12.00 m時(shí)比高于12.00 m吃水時(shí)船體阻力下降更加明顯。同一吃水條件下，航速越低，球鼻艏改型后船體相對(duì)于原船阻力下降越明顯，即使當(dāng)船舶處在原設(shè)計(jì)工況(吃水12.00 m，航速25.6 kn)時(shí)，裸船體CFD數(shù)值模擬阻力計(jì)算值也比原船略小，完全滿足船東增加阻力不超過(guò)1.5%的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

1.5 船舶波形分析

6 600 TEU集裝箱船球鼻艏改型后，通過(guò)CFD數(shù)值模擬計(jì)算顯示，得到如下結(jié)論：①當(dāng)船舶以16.0 kn航速航行時(shí),9.00 m吃水相對(duì)于12.00 m吃水工況下的波形前肩更加陡峭，這是由于9.00 m吃水時(shí)球鼻艏不能完全浸沒(méi)，水流流線越過(guò)球鼻艏產(chǎn)生較高的興波。②當(dāng)船舶在25.0 kn航速航行時(shí)，9.00 m吃水以及12.00 m吃水工況下船舶的首波高度差異并不明顯，但12.00 m吃水的尾波波高要明顯高于9.00 m吃水，這是因?yàn)槌运酱笪卜獍褰](méi)在水中越深，尾渦對(duì)船體產(chǎn)生的拖拽影響越明顯，由此產(chǎn)生的尾波也越高。③當(dāng)船舶以19.0 kn航速航行時(shí)，在9.00 m吃水狀態(tài)下，球鼻艏改型后的首波波高相對(duì)原船顯著降低，合成波高也有所降低，且波形更為平緩；在設(shè)計(jì)吃水12.00 m狀態(tài)下，新球鼻艏完全浸沒(méi)在水中，其首肩部興波的高度不僅相對(duì)原船首肩部大幅降低，而且相對(duì)自身吃水9.00 m、19.0 kn航速的工況也有顯著降低。

2 CFD數(shù)值模擬阻力預(yù)測(cè)結(jié)果精度

首先對(duì)原船線型進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算，將計(jì)算值與原船船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，初步評(píng)估CFD數(shù)值模擬計(jì)算的誤差范圍，并根據(jù)誤差對(duì)模擬計(jì)算進(jìn)行一定程度的修正。然后將CFD數(shù)值模擬計(jì)算獲得的最終球鼻艏線型制成船體模型，進(jìn)行船模試驗(yàn)，將球鼻艏改型設(shè)計(jì)后的船模試驗(yàn)值與CFD數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證CFD模擬計(jì)算值的精度。如圖4所示，包含了2%舵阻力的船模裸船體阻力與CFD數(shù)值模擬計(jì)算阻力預(yù)測(cè)結(jié)果相當(dāng)吻合，從而驗(yàn)證了CFD計(jì)算的精度。

圖4 CFD計(jì)算結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 球鼻艏改型后對(duì)船舶穩(wěn)性的校核

球鼻艏改型后的船舶性能必須通過(guò)船級(jí)社審核，其審核的指標(biāo)主要為船舶總縱強(qiáng)度、船舶初穩(wěn)性高度GM、船舶的吃水。6 600 TEU集裝箱船球鼻艏改型后的性能計(jì)算通過(guò)NAPA軟件進(jìn)行，由于球鼻艏改型后的質(zhì)心變化相對(duì)于全船質(zhì)心為一個(gè)小量，其改型前后總縱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果相差不大，滿足規(guī)范要求。球鼻艏改型后船型略微變胖，排水體積變大但自重增加不明顯，船舶的穩(wěn)性和吃水滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

但如果球鼻艏改型后變瘦，排水量變小，若要確保船舶穩(wěn)性則需要調(diào)整船舶裝載手冊(cè)中的壓載布置。以另外一艘4 250 TEU集裝箱船為例，該船總長(zhǎng)為246.00 m，型寬為32.25 m，型深為19.30 m，設(shè)計(jì)吃水為11.00 m。 如表4及表5所示，改型后球鼻艏的自身質(zhì)量增加了14.62 t，排開水的質(zhì)量下降了155.2 t，兩項(xiàng)相加造成球鼻艏改型后在結(jié)構(gòu)吃水(12.60 m)狀態(tài)下浮力損失達(dá)16.98 kN。 如果要在保持原設(shè)計(jì)載重量不變的前提下確保結(jié)構(gòu)吃水不變，就只能減少船舶的壓載水總量，并相應(yīng)調(diào)整壓載水的布置，但由于減少的壓載水質(zhì)心位置比原船質(zhì)心低，這樣調(diào)整勢(shì)必會(huì)造成全船質(zhì)心隨之提高，造成GM值下降，導(dǎo)致船舶穩(wěn)性惡化。設(shè)計(jì)過(guò)程中4 250 TEU系列集裝箱姊妹船球鼻艏改型后GM值均有所下降，但大多數(shù)姊妹船GM值略大于船級(jí)社0.50 m的最低要求，僅有一艘船因?yàn)橥旯顟B(tài)略有差別，GM僅達(dá)到0.49 m，最終通過(guò)增加過(guò)渡工況，就是滿載離港船舶在航行一定距離后必須要對(duì)船舶的壓載重新調(diào)整，才能滿足船舶繼續(xù)航行時(shí)的穩(wěn)性要求，使得GM重新達(dá)到0.50 m以上。故在球鼻艏改型方案設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到新球鼻艏的浮力損失問(wèn)題，以便綜合權(quán)衡船舶阻力性能和其它性能的關(guān)系，確保改型設(shè)計(jì)獲得最終成功。

表4 球鼻艏及空船質(zhì)量、質(zhì)心表

表5 球鼻艏改型前后船體排水量 t

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了集裝箱船球鼻艏改型設(shè)計(jì)方法，該方法具有較高的工程精度。在2年多時(shí)間，船廠采用該設(shè)計(jì)方法改型的集裝箱船總計(jì)18艘。通過(guò)實(shí)船球鼻艏改型前后較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)測(cè)油耗檢測(cè)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，船東認(rèn)為達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果，對(duì)球鼻艏改型設(shè)計(jì)表示滿意。

[1] 車霖源，陳昌運(yùn)，馬衛(wèi)星，等. 5668TEU集裝箱船球鼻艏改造節(jié)能[J]. 中國(guó)航海，2015，38(2)：109-121.

[2] 鄭小龍，黃勝，尚秀敏.基于CFD的船舶阻力預(yù)報(bào)方法研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28(2)：109-113.

[3] 胡春平，黃金峰，馮佰威.基于變換函數(shù)的船體曲面參數(shù)化修改技術(shù)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37(2)：377-380.

[4] 陳紅梅，熊小青，吳瓊,等. 超巴拿馬型集裝箱船球艏型線優(yōu)化研究[J].中國(guó)造船，2015，56(1)：80-85.

After container ship reduced the actual sailing speed,bulous bow retrofitting design will be carried out based on computational fluid dynamics numerical simulation calculation.Through ship model test to verify the accuracy of the design result,the ship comprehensive resistance is reduced about 5%.

bulbous bow;retrofit;comprehensive resistance;CFD

周敏(1971-)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事船舶修理、改裝及建造工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.004

2016-06-15