16 000 m3 LNG船快速性?xún)?yōu)化及試驗(yàn)

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

全球LNG市場(chǎng)需求旺盛，新型LNG船舶的設(shè)計(jì)及相關(guān)的研究工作備受關(guān)注[1-5]。本公司為推進(jìn)長(zhǎng)江LNG水上業(yè)務(wù)發(fā)展，開(kāi)展了16 000 m3LNG船的研究，為了獲得較優(yōu)的阻力性能，應(yīng)用CFD和CAD軟件對(duì)16 000 m3LNG船進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)船的快速性試驗(yàn)加以驗(yàn)證和修正。

1 船型特征

本船的B/T為4，屬于淺吃水船，采用雙槳。艏艉形狀見(jiàn)圖1。

圖1 艏艉形狀

常規(guī)型雙槳船，在槳盤(pán)處的伴流分?jǐn)?shù)較低，船身效率及推進(jìn)效率亦低，且附體阻力也較大，本船將船尾改為類(lèi)似于2個(gè)單槳船尾的雙尾鰭形狀。雙艉鰭船型通過(guò)將寬度吃水比較大的船舶艉部設(shè)計(jì)成2個(gè)艉部片體，使去流段水流分成兩側(cè)水流和船底縱流3個(gè)區(qū)域，從而使艉部水流暢通，減少水流分離，降低船舶的形狀阻力[6]。試驗(yàn)表明，雙槳推進(jìn)采用雙尾鰭線(xiàn)型對(duì)降低阻力和提高推進(jìn)效率是非常有利的，與相應(yīng)的單槳船相比可以降低10%～20%的主機(jī)功率。雙尾鰭型與常規(guī)型雙槳船相比，在阻力和推進(jìn)方面均有一定的特點(diǎn)。從阻力方面看，雙尾船型的單個(gè)尾體寬度為整個(gè)船寬的40%～60%，因而相當(dāng)于增大了長(zhǎng)寬比，特別是后體變得瘦削，有利于降低粘壓阻力。從推進(jìn)方面看，改用雙尾后螺旋槳的直徑可以增大，敞水效率將有所提高，并且雙尾船型的片尾，其內(nèi)側(cè)是受限流場(chǎng)，外側(cè)是無(wú)限流場(chǎng)，兩側(cè)不對(duì)稱(chēng)，通常產(chǎn)生一外旋流場(chǎng)，可獲得較高的推進(jìn)效率。此外，常規(guī)型雙槳船通常有對(duì)阻力不利的附體，如軸支架、軸包殼等，附體阻力可達(dá)總阻力的10%以上。本船采用雙尾船型，省去附體，從而可減免附體阻力，充分利用伴流，得到較為顯著的節(jié)能效果。主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要參數(shù)

2 性能優(yōu)化方法

為最大限度地提高目標(biāo)船的快速性能、降低其能耗水平，方法運(yùn)用CAD軟件FRIENDSHIP-Framework結(jié)合CFD軟件Shipflow的方法，以初步線(xiàn)型為基礎(chǔ)，應(yīng)用FRIENDSHIP-Framework中的Lackenby方法改變船體橫剖面面積曲線(xiàn)的形狀，從而變換得到不同的線(xiàn)型，由此進(jìn)行水動(dòng)力性能的優(yōu)化計(jì)算。船體周?chē)鲌?chǎng)示意于圖2。

圖2 船體周?chē)鲌?chǎng)示意

由圖2可見(jiàn)，Shipflow方法是將計(jì)算流場(chǎng)分為3個(gè)區(qū)域，近似模擬流體運(yùn)動(dòng)，具體劃分如下。

1)勢(shì)流區(qū)?；贒awson理論中二階面元法進(jìn)行勢(shì)流計(jì)算，并采用迭代技術(shù)滿(mǎn)足該流場(chǎng)自由液面的邊界條件。Dawson計(jì)算方法是線(xiàn)性化理論基礎(chǔ)，Shipflow采用的勢(shì)流方法在運(yùn)用Dawson理論求得線(xiàn)性解后并沒(méi)有終止計(jì)算，隨后不斷地迭代重復(fù)上述過(guò)程，直到計(jì)算收斂，最終求得完全非線(xiàn)性解。

2)薄邊界層區(qū)。運(yùn)用邊界層理論模擬船體中前部的邊界層，方法理論為積分法，建立動(dòng)量微分方程沿流場(chǎng)邊界層厚度積分，勢(shì)流壓力的分布是計(jì)算的輸入，計(jì)算路徑可以從駐點(diǎn)開(kāi)始，也可從給定站開(kāi)始，求解湍流方程，對(duì)船體邊界層開(kāi)展計(jì)算，能夠獲得船體中前部2/3船體上的摩擦阻力。

3)湍流區(qū)域。運(yùn)用雷諾平均的N-S方程在該區(qū)域建立求解方程。對(duì)于不可壓縮流體，其RANS如下：

(1)

采用有限差分法作為該區(qū)域求解的數(shù)值方法，應(yīng)用SIMPLE算法耦合壓力和速度，采用壁面函數(shù)以及k-ε兩方程的湍流模式。其中，上述勢(shì)流與邊界層計(jì)算結(jié)果作為RANS方程求解的邊界條件。

3 線(xiàn)型優(yōu)化結(jié)果

本船設(shè)計(jì)航速15 kn時(shí)Fr=0.208 7，為中高速。興波阻力在型線(xiàn)優(yōu)化中比較重要，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)船型的優(yōu)化，在設(shè)計(jì)航速下以興波阻力最小為優(yōu)化目標(biāo)，排水量作為約束函數(shù)。變化參數(shù)改變型線(xiàn)，尤其是球鼻首和雙尾鰭，利用上述軟件進(jìn)行全局搜索興波阻力極值。最終，通過(guò)波高、波形、壓力分布，興波阻力系數(shù)計(jì)算值等方面的比較，從大量計(jì)算方案中選取最優(yōu)結(jié)果，使優(yōu)化后的線(xiàn)型具有更好的阻力性能和推進(jìn)性能，優(yōu)化前后的橫剖面面積曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，優(yōu)化前后的縱剖面波高見(jiàn)圖4～6，型線(xiàn)優(yōu)化前后的表面壓力分布見(jiàn)圖7。

圖3 優(yōu)化前后橫剖面面積對(duì)比

圖4 優(yōu)化前后縱剖面波高對(duì)比(沿船側(cè))

圖5 優(yōu)化前后縱剖面波高對(duì)比(y/Lpp=1.5)

圖6 優(yōu)化前后縱剖面波高對(duì)比(y/Lpp=2)

圖7 優(yōu)化型線(xiàn)與初始型線(xiàn)的表面壓力分布

由圖4～7可知，優(yōu)化后的線(xiàn)型無(wú)論在波形上還是表面壓力分布的均勻上都有了顯著的改善，數(shù)值計(jì)算結(jié)果也充分顯證了這一點(diǎn)，見(jiàn)表2。CW和CWTWC為兩種不同方法計(jì)算出的興波阻力系數(shù)值，CW來(lái)自船體表面的壓力積分，CWTWC由尾后截面積分計(jì)算得到。

表2 興波阻力系數(shù)值優(yōu)化前后對(duì)比

綜上，通過(guò)線(xiàn)型的優(yōu)化有效降低了本船的阻力，提高了快速性。

4 試驗(yàn)分析方法

為了驗(yàn)證流體模擬的計(jì)算效果，采用船模試驗(yàn)驗(yàn)證其阻力與推進(jìn)性能。

4.1 相似理論

船模阻力試驗(yàn)保持模型和實(shí)船的傅汝德數(shù)Fr相等，敞水試驗(yàn)保持進(jìn)速系數(shù)J相等。快速性試驗(yàn)既有裸船又有螺旋槳，故須滿(mǎn)足Fr數(shù)和J相等。推導(dǎo)中部分符號(hào)定義如下。

L為船長(zhǎng)，D為槳徑，V為船速，VA為進(jìn)速，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，λ為縮尺比，ρ為流體密度，ω為伴流分?jǐn)?shù)，t為推力減額分?jǐn)?shù)，下標(biāo)m表示船模，下標(biāo)s表示實(shí)船。

由Fr相等得：

(2)

由J相等得：

(3)

假定伴流無(wú)尺度作用，ωs=ωm，可得：

(4)

(2)和(4)兩式是船?？焖傩栽囼?yàn)應(yīng)滿(mǎn)足的相似條件。

快速性試驗(yàn)中模型和實(shí)船的各種力之間基本上是λ3的關(guān)系，用Rt表示裸船體的總阻力，則實(shí)船總阻力可表示為

(5)

當(dāng)船模以速度Vm航行時(shí)，預(yù)先對(duì)船模加一個(gè)強(qiáng)制拖拽力FD，即摩擦阻力修正值[7]，此強(qiáng)制力用于克服船?？傋枇χ写笮镕D的部分，則螺旋槳發(fā)出的推力Tm僅需克服船?？傋枇χ惺Ｏ碌牟糠?Rtm-FD)。如此處理后，船?？焖傩栽囼?yàn)系統(tǒng)中各種力都存在λ3的關(guān)系。

4.2 實(shí)船推進(jìn)性能

采用三因次法[8]得到實(shí)船總阻力系數(shù)Cts。經(jīng)過(guò)摩擦阻力修正，根據(jù)等推力法，得到船模的相關(guān)效率和系數(shù)。最后經(jīng)過(guò)實(shí)槳敞水修正，得到實(shí)船推進(jìn)效率為

(6)

式中：ηR為相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；ηH為船身效率。

實(shí)槳轉(zhuǎn)速為

(7)

實(shí)船的有效馬力為

(8)

實(shí)槳收到馬力為

(9)

上述計(jì)算結(jié)果需要采用功率因子Cp及轉(zhuǎn)速因子Cn進(jìn)行修正，其數(shù)值由各水池根據(jù)自己積累的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)資料決定。因此，修正后的實(shí)船試航性能預(yù)估如下。

轉(zhuǎn)速為

Nt=CnNs

(10)

收到馬力為

PDt=CpPDs

(11)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，即可繪制實(shí)船性能預(yù)報(bào)曲線(xiàn)，從而可知設(shè)計(jì)的船機(jī)槳是否匹配，航速能否滿(mǎn)足船東的要求。

5 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

5.1 快速性試驗(yàn)簡(jiǎn)述

船?？焖傩栽囼?yàn)，一般是在阻力試驗(yàn)和敞水試驗(yàn)之后進(jìn)行的，為滿(mǎn)足船模和實(shí)船邊界層中流動(dòng)狀態(tài)相似的要求，在船模的19號(hào)站以及球鼻艏中部裝有2根直徑為1 mm激流絲。試驗(yàn)中，螺旋槳模型的轉(zhuǎn)速nm、推力Tm、轉(zhuǎn)矩Qm由動(dòng)力儀測(cè)得，強(qiáng)制力z由阻力儀測(cè)得。船模速度即為拖車(chē)的前進(jìn)速度，船模在速度Vm時(shí)阻力Rm已由阻力試驗(yàn)求得。試驗(yàn)為強(qiáng)制自航法，即船模在螺旋槳推力T和強(qiáng)制力z共同作用下進(jìn)行的快速性試驗(yàn)。阻力儀能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)強(qiáng)制力z，船模的前進(jìn)速度和拖車(chē)速度Vm保持相等。本試驗(yàn)共拖航了8個(gè)船速，對(duì)某一船模速度Vm，需要外加5個(gè)強(qiáng)制力，即z1、z2、z3、z4、z5。對(duì)于不同的強(qiáng)制力，為維持船模速度Vm而要求螺旋槳模型發(fā)出的推力Tm，轉(zhuǎn)速nm及轉(zhuǎn)矩Qm是不同的。因此對(duì)于一個(gè)速度需要試5次，且盡可能保持同一速度Vm。測(cè)量記錄數(shù)據(jù)由Vm、z、Tm、Qm及nm共5項(xiàng)，據(jù)此得到船?？焖傩栽囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。根據(jù)公式(1)及縮尺比可得到對(duì)應(yīng)航速Vm下的強(qiáng)制力FD值，由FD與對(duì)應(yīng)航速Vm的交點(diǎn)即可得到船模在航速Vm時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速nm、推力Tm和轉(zhuǎn)矩Qm。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析推進(jìn)效率的各種成分。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)考量的是船舶設(shè)計(jì)吃水時(shí)的性能，船模縮尺比λ=24.093 1，螺距比、盤(pán)面比也比較接近，船模及槳模都足夠大，確保能獲得比較精確的試驗(yàn)結(jié)果，船體阻力見(jiàn)表4，有效功率見(jiàn)圖9。船體推進(jìn)效率見(jiàn)表5，實(shí)船性能預(yù)報(bào)見(jiàn)圖10。

圖8 船?？焖傩栽囼?yàn)結(jié)果

表4 試驗(yàn)所得船體阻力

圖9 有效功率

表5 船體推進(jìn)效率

圖10 實(shí)船性能預(yù)報(bào)

本船電動(dòng)機(jī)推進(jìn)功率為2 400 kW/臺(tái)，共2臺(tái)，齒輪箱傳送效率為0.97，軸系效率為ηs=0.99，本船螺旋槳收到功率PDt=4 609.4 kW，由表5可知，此時(shí)推進(jìn)效率ηDs=0.723 7?？紤]15%SM工況，本船螺旋槳收到功率：PDt=4 008.2 kW，推進(jìn)效率ηDs=0.720 2，在海水水溫15 °C，深水、無(wú)風(fēng)、無(wú)浪、無(wú)流、無(wú)污底狀況下實(shí)船航速預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 航速預(yù)報(bào)

由此可知：阻力試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于艾亞法估算結(jié)果，船體線(xiàn)型的剩余阻力系數(shù)低，即船體阻力性能優(yōu)秀(剩余阻力系數(shù)是船體阻力性能的衡準(zhǔn))，船體尾部流場(chǎng)好，所以推力減額系數(shù)值低，船身效率ηHs高，螺旋槳效率η0s高，總推進(jìn)效率也較高，最終能很好地達(dá)到預(yù)先設(shè)定的航速要求。按照型線(xiàn)優(yōu)化結(jié)果的船模進(jìn)行試驗(yàn)，在計(jì)算要求的有效推進(jìn)功率下，85%負(fù)荷時(shí)為15.15 kn，>15.00 kn；額定功率時(shí)為15.74 kn，既能滿(mǎn)足技術(shù)要求，又有良好的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)論

本16 000 m3LNG船根據(jù)設(shè)計(jì)航速時(shí)傅汝德數(shù)Fr=0.208 7以及寬度吃水比B/T=4的船型特征，采用球鼻首降低興波阻力，采用雙尾鰭雙槳提高推進(jìn)效率，并采用CFD手段對(duì)船體型線(xiàn)尤其球鼻首和雙尾鰭進(jìn)行了優(yōu)化，理論上降低了興波阻力和粘壓阻力。其中，船體表面壓力積分和尾后截面積分所得興波阻力系數(shù)分別降低69%和40%，顯著提高了推進(jìn)效率?？焖傩栽囼?yàn)表明船型經(jīng)過(guò)CFD性能優(yōu)化能夠很好地實(shí)現(xiàn)降阻增速的效果。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)該船進(jìn)行性能預(yù)報(bào)，結(jié)果表明，優(yōu)化后的船型推進(jìn)效率高、船機(jī)槳匹配度良好。