5 000立方米級LNG加注船線型開發(fā)研究

嚴(yán)孝欽，陳曉瑩

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 201201)

0 引言

隨著全球變暖議題的日益升溫，溫室氣體排放問題得到國際社會的廣泛關(guān)注。國際海事組織(IMO)提出的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI是為了衡量新造船能效水平，同時(shí)也為船東選擇低能耗、低排放的綠色環(huán)保型船舶提供依據(jù)。天然氣由于其熱值高、不含硫、燃燒清潔、排放較低而成為未來綠色環(huán)保型船舶的首選燃料。

隨著LNG作為船用燃料的推廣，LNG燃料加注技術(shù)越來越受到國際社會的關(guān)注。與岸站—船加注方式和槽車—船加注方式相比，LNG燃料加注船—船加注方式具有機(jī)動性好、加注效率高、可大型加注和海上加注等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用和發(fā)展空間十分廣闊。目前，國內(nèi)外船舶企業(yè)在LNG燃料加注船領(lǐng)域的技術(shù)儲備較少。為適應(yīng)我國能源發(fā)展和戰(zhàn)略的需要，有必要開展LNG燃料加注船工程化開發(fā)研究，掌握LNG燃料加注船的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)，以推動我國造船工業(yè)水平的提高，提升市場競爭力。

在初步分析LNG燃料動力船舶的政策環(huán)境、法律法規(guī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)各港口現(xiàn)狀、通航及水文條件，對未來5年LNG動力船舶的發(fā)展預(yù)測分析后，推薦采用艙容為5 000立方米級的LNG加注船，并以此為目標(biāo)，對船舶的主尺度、液貨艙形式、加注設(shè)備、動力裝置、推進(jìn)方式等進(jìn)行了分析探討。本文主要針對此船的線型優(yōu)化工作展開研究。

1 項(xiàng)目介紹及船型特征

在滿足艙容要求的前提條件下，從提升船舶性能的角度出發(fā)，以船舶快速性為主要目標(biāo)，兼顧操縱性和耐波性要求，考慮各主要港口的停靠條件，并綜合系泊、加注等要求，初步確定此船的主要參數(shù)，見表1。

表1 主要參數(shù)表

從表1得知，Lpp/B=5.42，B/T=3.5。Lpp/B對剩余阻力影響較大，同時(shí)對耐波性和操縱性有一定的影響；而B/T主要影響穩(wěn)性及阻力性能。本船設(shè)計(jì)航速對應(yīng)的傅汝德數(shù)Fr為0.236，屬于中高速船型。按照以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，此船的Lpp/B較小，剩余阻力占較大比重；而B/T較小表明集中在水面附近的排水體積較小，濕表面積也較小，對興波阻力和摩擦阻力有利，但B/T較小會導(dǎo)致初穩(wěn)性高度減小，因此還需校核穩(wěn)性是否滿足要求。

2 線型設(shè)計(jì)

2.1 初步方案生成

依據(jù)線型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和流程，按照目標(biāo)船的船型參數(shù)Lpp/B、B/T、方形系數(shù)和設(shè)計(jì)航速V等，初步確定了艏艉線型均采用偏V方案，有利于減小興波阻力；艏部設(shè)置球艏，以改善艏部流場，降低形狀阻力和減少埋艏現(xiàn)象；艉部采用普通球艉并可考慮單艉鰭布置，使伴流更加均勻，以提高推進(jìn)效率。通過研究此類型船的布置特點(diǎn)，確定浮心位置范圍及排水量沿船長分布情況，并依此得到了目標(biāo)船的初步線型方案。

在確定初步方案后，進(jìn)行艙室劃分、設(shè)備布置及規(guī)范校核驗(yàn)算，并對初步方案進(jìn)一步調(diào)整。在確保滿足穩(wěn)性規(guī)范、貨艙艙容和設(shè)備布置空間的前提下，對方案進(jìn)行水動力模擬計(jì)算，完成對初步線型的評估，計(jì)算結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 初步方案波形分布

圖2 初步方案船體表面波高分布

從圖中看出，初步方案的艏部興波較大，散波較多，艉肩部存在較大的波谷，船艉的起波也較明顯；從流線上看，在艉部1～2站附近部分水流產(chǎn)生分離，某些區(qū)域甚至出現(xiàn)了倒流，進(jìn)入螺旋槳盤面的水流不穩(wěn)定；從數(shù)值結(jié)果分析，形狀因子較大，超過正常范圍的上限值，推力減額和伴流分?jǐn)?shù)較大而敞水效率和船身效率偏低。初步線型需要進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 線型優(yōu)化

2.2.1整體變換

經(jīng)分析，初步線型浮心位置靠后，艉部線型豐滿，艉肩部過度較生硬，槳前排水體積分布以及縱剖面斜率導(dǎo)致艉部流場不穩(wěn)定，影響螺旋槳敞水效率及船身效率。

在初步線型的基礎(chǔ)上，通過lackenby方法調(diào)整船體橫剖面面積曲線SAC來實(shí)現(xiàn)縱向排水體積分布的變化。Lackenby變換可以改變船體浮心位置、方形系數(shù)、平行中體長度，還可以實(shí)現(xiàn)橫剖面積曲線的形狀變化。借助CFD工具對變形方案進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)該船型對浮心位置較敏感；同時(shí)，浮心位置受該船總布置要求、配載狀態(tài)及機(jī)艙布置等幾何條件的限制，經(jīng)過總布置方案調(diào)整，確定其可改變的極限范圍。Lackenby變換是在此范圍內(nèi)尋求滿足限制條件且性能最佳的方案，最終得到的線型方案橫剖面積曲線及波形圖與初步方案對比分別見圖3和圖4。

圖3 Lackenby變換前后橫剖面積曲線對比

圖4 Lackenby變換前后波形分布對比

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，浮心位置前移造成了艏部排水體積增加，艏部興波變差；但艉部線型的改善極大地減小了艉部興波和粘壓阻力，伴流也更穩(wěn)定。綜合來看，在保持排水量不變的前提下浮心位置前移對總阻力性能有利。

2.2.2艏部優(yōu)化

較高的航速決定了該船的興波阻力在總阻力中占有較大的比重，因此艏部優(yōu)化對于阻力性能至關(guān)重要。艏部優(yōu)化主要集中在球艏的長度、寬度、高度、進(jìn)水角、水線面形狀、艏肩部的過度區(qū)域等。通過參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)對優(yōu)化區(qū)域的參數(shù)控制，采用sobol算法尋找優(yōu)化區(qū)域，再利用NelderMeadSimplex算法，設(shè)置200次的迭代次數(shù)，以興波阻力作為目標(biāo)參數(shù)，尋找最小興波阻力值并最終確定最佳艏部線型。艏部優(yōu)化前后的計(jì)算結(jié)果對比見圖5和圖6。

從對比圖可以看出，艏部優(yōu)化減小了船艏起波和隨波，船側(cè)波形更加平緩，船身壓力也有所降低。從數(shù)值結(jié)果看，艏部優(yōu)化使興波阻力減小了10%。

2.2.3艉部優(yōu)化

艉部優(yōu)化是在滿足機(jī)、槳、舵布置的前提下，使船體阻力和推進(jìn)效率的匹配達(dá)到最佳，從而使該船的快速性能提升。根據(jù)初步方案的結(jié)果，針對性地采取了一些修改措施，如降低艉封板的高度；改變艉肩部的形狀；調(diào)整UV型改變槳前船體排水體積分布等。同時(shí)，考慮采用不同的艉部形式，如鰭型球艉。艉部的優(yōu)化同樣先采用Sobol算法搜索優(yōu)化區(qū)域，再用遺傳算法NAGAⅡ深度探尋，設(shè)置10代遺傳數(shù)量和每代27個(gè)種群數(shù)量，以船體總阻力和艉部伴流分?jǐn)?shù)作為目標(biāo)參數(shù)，在生成的艉部方案中選定艉部線型，并結(jié)合優(yōu)化后的艏部線型，得到新的方案。經(jīng)穩(wěn)性計(jì)算及布置方案校核，滿足所有限制要求，并將其作為最佳優(yōu)化方案。優(yōu)化方案與初步方案的CFD計(jì)算結(jié)果對比見圖7、圖8和圖9。

圖5 艏部優(yōu)化前后波形分布對比

圖6 艏部優(yōu)化前后船身波高分布對比

經(jīng)過整體變換和艏艉部優(yōu)化，艏部興波和艉部興波都有重大改善，興波阻力和剩余阻力降低；同時(shí)改善了螺旋槳的進(jìn)流，艉部流場分布均勻，使螺旋槳與船體更加匹配，推力減額和伴流分?jǐn)?shù)減小，船身效率得到提升。從數(shù)值看，優(yōu)化方案在設(shè)計(jì)狀態(tài)的阻力值比初步方案降低了12%，搭配盤面比為0.6的4葉槳，推進(jìn)效率提高了3%，從而使螺旋槳收到功率降低了14%。

圖7 初步方案和最佳優(yōu)化方案波形分布對比

圖8 初步方案和最佳優(yōu)化方案船身波高分布對比

圖9 初步方案和最佳優(yōu)化方案艉部船體壓力分布及螺旋槳伴流分布對比

3 模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證此船的快速性能，將最佳優(yōu)化方案作為試驗(yàn)方案在瑞典SSPA水池進(jìn)行了模型試驗(yàn)。SSPA模型試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖10 SSPA模型試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看，此船艏艉波形較為平緩，艏艉肩部的波谷較小，艉部流線明顯，進(jìn)入槳盤面的水流穩(wěn)定，伴流測定結(jié)果顯示槳盤面處伴流均勻，呈現(xiàn)較為理想的分布狀態(tài)。從數(shù)值結(jié)果上看，此船阻力低于SSPA數(shù)據(jù)庫中的同類型船舶，推進(jìn)性能優(yōu)異，優(yōu)化方案達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。模型試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果對比見圖11。

圖11 CFD計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對比

從圖中可以看出，CFD計(jì)算得到的不同航速下的推進(jìn)功率曲線與模型試驗(yàn)結(jié)果趨勢相同，數(shù)值誤差為2%～4%，證明CFD計(jì)算在精度上可以滿足設(shè)計(jì)初期的性能預(yù)報(bào)要求。更重要的是，在優(yōu)化過程中CFD計(jì)算結(jié)果可以作為方案優(yōu)劣的評判標(biāo)準(zhǔn)，為線型優(yōu)化指明方向。相比模型試驗(yàn)，CFD計(jì)算方便、快捷、成本低、耗費(fèi)資源少、反饋迅速，在未來的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)中，隨著CFD計(jì)算工具和計(jì)算方法的不斷完善，完全有可能取代傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法。

4 結(jié)語

5 000立方米級LNG加注船項(xiàng)目是在選擇合適主尺度、總體布置方案的基礎(chǔ)上，通過整體變換、艏艉局部調(diào)整并結(jié)合CFD計(jì)算工具，搜索并得到滿足裝載要求和穩(wěn)性要求的最佳優(yōu)化方案，最終由模型試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。5 000立方米級LNG加注船項(xiàng)目的成功開發(fā)，其意義不止在于單個(gè)項(xiàng)目的成功，更是為LNG加注船這一新船型的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隨著全球性運(yùn)營船舶碳硫排放物新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，LNG燃料船需求將不斷增長，LNG燃料加注船市場同樣前景可期。