1 000客2 800 m車道客滾船的線型設(shè)計

徐建 鄧紹初

摘? ? 要：本文詳細描述了我司設(shè)計的1000客2800m車道客滾船線型開發(fā)設(shè)計的整個過程。首先分析優(yōu)秀船型的尺度特點，進而結(jié)合方案需求確定船舶基本參數(shù)，然后基于三種不同的尾部線型形式，進行CFD計算分析，最后選定最合適的線型;針對確定的較優(yōu)線型，進行包括浮心優(yōu)化、前體優(yōu)化和后體優(yōu)化研究，對此類船舶的開發(fā)設(shè)計有一定借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：客滾船;線型開發(fā);線型優(yōu)化

中圖分類號：U674.12 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper describes the whole process of the lines development and design of the 1000 passenger /2800 m lane length RoPax ship built in our company. Firstly， the scale characteristics of the excellent similar ship types are analyzed to determine the basic parameters of the ship in combination with the building requirements. Then， based on the three different stern lines， CFD calculation and comparative analysis are carried out to select the most suitable lines. Finally， the optimizations of the center of buoyancy， the forebody and afterbody are studied for the determined lines.

Key words： RoPax ship， Lines development， Lines optimization

1? ? ?引言

近年來，選擇乘坐各類海洋客船、客滾船甚至豪華郵輪外出旅行的人士越來越多，特別是亞洲國家對于這類船舶的需求量正在增長。鑒于此，我司對海洋客滾船進行了開發(fā)設(shè)計。

當(dāng)前世界上已開發(fā)出許多客滾船優(yōu)秀船型[4]，在Significant Ships中搜集了15種ropax船型，見表1。這15種船型的無因次參數(shù)比較，見圖1。

由表1可見，這些優(yōu)秀的客滾船型一般都具有大傅汝德數(shù)和大寬度吃水比，明顯高于其他船型?；谝陨辖Y(jié)論，結(jié)合車線長度及吃水的限制要求，我司開發(fā)設(shè)計的1000客2 800 m車道客滾船基本參數(shù)如表2所列。

2? ? ?線型樣式分析

客滾船通常航速較快，高的可以達到30 kn，因而螺旋槳負(fù)荷較高、主機功率較大。同時客滾船吃水和槳徑又受到碼頭的限制，因此需要設(shè)置雙機、雙槳來分擔(dān)負(fù)荷;為滿足靈活操作及安全返港等要求，也需要設(shè)計成兩個獨立機艙配置雙機、雙槳、雙舵。

客滾船典型的尾部線型有兩種：一種是人字架尾軸、縱流型尾部，這也是目前國際上大多數(shù)客滾船采用的線型（見圖2）;另一種是雙尾鰭線型（見圖3）。

2.1? ?縱流型尾部

由于縱流型尾部的主船體外表面積小，因此船舶自身摩擦阻力小;另外，其尾部伴流峰值也小，使螺旋槳產(chǎn)生的噪聲和脈動壓力小，大大降低了船舶振動及噪音源，給旅客和船員帶來一個良好的生活環(huán)境，因而被廣泛采用于旅客眾多、檔次較高的各型客滾船。

對于人字架的結(jié)構(gòu)強度需要進行核算;過長的尾軸，包括由于長尾軸帶來的兩個甚至更多個人字架串聯(lián)，會給軸系加工、軸系對中安裝、人字架的制作安裝以及日后的維護保養(yǎng)帶來很多的困難;同時，此種線型還帶來了機艙空間的拮據(jù)。為了滿足主機、齒輪箱的布置，有時需要將主機向首部移動，這樣會使軸系的長度更長，甚至需要縮短車道長度來滿足機艙的布置。

2.2? ?雙尾鰭線型

雙尾鰭線型，由于其表面積相對而言增加了大約5%～8%，直接導(dǎo)致摩擦阻力的增加。但是經(jīng)過水池試驗表明，雙尾鰭可以顯著增加尾部伴流分?jǐn)?shù)從而提高船身效率，部分克服了前面所述的額外阻力增加;但同時尾部伴流的提高也增加了螺旋槳產(chǎn)生噪聲和脈動壓力的風(fēng)險，不利于船舶降振減噪，甚至過大的振動會導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)變形、軸承損壞等現(xiàn)象;另一方面，其寬大的尾部給機艙的布置帶來了便利，主機可以適當(dāng)后移，讓出空間給貨艙的車道。

上述兩種線型各有優(yōu)劣，而有一些客滾船則采用了全新的短尾鰭設(shè)計，其尾部線型兼顧了兩者的優(yōu)缺點，即設(shè)置兩個短小的尾鰭加一個人字架（見圖4），這樣可以兼顧兩者的優(yōu)勢，達到一個合理的平衡點[1] [2]。

3? ? ?線型CFD分析

我司開發(fā)的1000客2 800 m車道客滾船在尾部線型樣式選取時，對于以上所述的三種線型樣式進行了CFD計算分析。三種線型的基本參數(shù)、和首部線型相同，只是尾部線型不同：線型A為人字架尾軸線型、線型B為雙尾鰭線型、線型C為短尾鰭加人字架線型。三種線型的波形對比，見圖5、圖6、圖7。

4? ? ?線型優(yōu)化

對C線型進行優(yōu)化，包括浮心優(yōu)化、前體優(yōu)化和后體優(yōu)化。在進行前體和后體優(yōu)化時，借鑒雷林等在《98 m客滾船阻力優(yōu)化設(shè)計研究》一文中得到的結(jié)論[5]：將船首由V形首調(diào)整為U形首;將雙尾鰭下端分別向船體外側(cè)作適當(dāng)偏移，在減少尾流旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)速度的同時使尾渦向船體兩側(cè)耗散，以改善船行進時尾渦帶來的不利影響;將尾鰭上下輪廓改為圓弧過渡，達到光順尾部線型、降低粘壓阻力的目的。

4.1? ?浮心優(yōu)化

對本船浮心位置進行優(yōu)化。原始浮心位置在96.5 m，控制浮心位置在±0.5%范圍內(nèi)移動，移動后浮心位置在95.5 m到97.5 m之間。浮心優(yōu)化結(jié)果，見表4和圖8。

4.2? ?前體優(yōu)化

對前體水線進行優(yōu)化。在排水體積不減小的前提下優(yōu)化前體水線，優(yōu)化過程見圖9，優(yōu)化結(jié)果見表5。

在前體優(yōu)化過程中，我們希望在排水體積不減小或略有增加的前提下，興波阻力系數(shù)達到最優(yōu)的結(jié)果。經(jīng)優(yōu)化后，排水體積基本不變，興波阻力系數(shù)從0.000236下降到0.0002143。

經(jīng)變換后的水線與原水線的對比結(jié)果見圖10。

4.3? ?后體優(yōu)化

對后體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。在排水體積不減小的前提下，優(yōu)化后體結(jié)構(gòu)。優(yōu)化過程見圖11，優(yōu)化結(jié)果見表6。

在后體優(yōu)化過程中，我們同樣希望在排水體積不減小或略有增加的前提下，粘壓阻力系數(shù)達到最優(yōu)的結(jié)果。經(jīng)優(yōu)化后，排水體積略有增加，粘壓阻力系數(shù)從0.0002746下降到0.000 25、興波阻力系數(shù)從0.000236下降到0.000217。

經(jīng)優(yōu)化后，后體結(jié)構(gòu)與原后體結(jié)構(gòu)的對比，見圖12。

從優(yōu)化過程中可以看出，浮心向前移動0.5%，可以降低8%的粘壓阻力和16%的興波阻力;前體水線情況比較好，可以微調(diào)使興波阻力下降9%左右;后體尾部優(yōu)化后，可以減小10%的粘壓阻力和8%的興波阻力;按組成比估算，優(yōu)化后可以降低總阻力3.5%。

5? ? ?線型與耐波性、穩(wěn)性的相互影響

除快速性外，耐波性和穩(wěn)性也是船舶航行性能中需要考慮的重要問題。改善耐波性可以適當(dāng)收縮滿載水線、增加首部橫剖面的舭部、抬高并收窄尾封板;修改抬高尾部內(nèi)側(cè)縱剖線，將不足的排水量加至外側(cè);通過控制首尾部的外飄和水下剖面形狀改善耐波性，首部橫剖面采用偏V型的橫剖面，水線以上的外飄保持在適宜水平，既有助于減小波浪中的運動幅度，又把抨擊力控制在適當(dāng)?shù)乃?排水體積適度前移下移，減小橫剖線的水平段即弱化船尾具有平底特征的范圍，從而達到減小波浪抨擊的目的。

客滾船是典型的布置型船舶，積載因數(shù)很大且為多層甲板，因此型深很高。加上上層建筑豐滿、受風(fēng)面較大，因此對穩(wěn)性十分不利。為改善完整穩(wěn)性，可以在保證通風(fēng)效果的前提下，盡量抬高舷側(cè)通風(fēng)口的高度;在有效范圍內(nèi)盡可能增大舭龍骨的面積，減小橫搖角;規(guī)劃好上層建筑的層數(shù)，盡量減少受風(fēng)面積;嚴(yán)格控制空船重量和重心高度，限定內(nèi)舾裝的重量;線型設(shè)計時適當(dāng)增加橫穩(wěn)心高度。

客滾船由于結(jié)構(gòu)特點，貨艙是縱通的，無水密的橫向艙壁，造成破損穩(wěn)性緊張。為改善破艙穩(wěn)性，可在船中部分的舷側(cè)設(shè)置縱艙壁，對機艙和小車艙這類大艙盡可能形成雙殼保護，減少舷側(cè)破損時的進水量;合理布置橫艙壁，在首尾適當(dāng)縮小橫艙壁的距離，減少破損時的進水量，中部逐步增大間隔距離;邊艙寬度的設(shè)置既要保證經(jīng)濟性，又要保證其對破艙穩(wěn)性具有合適的貢獻，使?jié)M足破艙穩(wěn)性要求的GM值較為合適[7]。

6? ? ?小結(jié)

本船首先通過收集大量優(yōu)秀客滾船的參數(shù)，繪制出無因次參數(shù)比較圖，為設(shè)計客滾船有關(guān)參數(shù)提供一定的參考指導(dǎo)作用，以此確定客滾船的主要參數(shù);接著介紹了三種客滾船尾部線型樣式，并著重分析了它們的優(yōu)缺點;然后采用CFD軟件對三種尾部線型進行計算分析，選定最合適的尾部線型為短尾鰭加人字架樣式;最后對選定的線型進行優(yōu)化，包括浮心優(yōu)化、前體優(yōu)化和后體優(yōu)化，并進行CFD軟件計算分析。結(jié)果表明優(yōu)化后的線型可以降低總阻力約3.5%。

本文對此類船舶的開發(fā)設(shè)計具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1]張敏健.客滾船開發(fā)與設(shè)計研究[J].船舶與海洋工程.2012（2）：21-26.

[2]張敏健. 中大型客滾船的線型與推進系統(tǒng)研究[J].船舶設(shè)計通訊.2010-03：26-30.

[3]顧耀軍，王麟. 16000總噸客滾船設(shè)計與建造技術(shù)[J].上海造船.2007（3）：21-24.

[4]李源. 客滾船經(jīng)典船型探秘[J].中國船檢，2011（12）：52-56.

[5]雷林，孫鵬，李名毅. 98m客滾船阻力優(yōu)化設(shè)計研究[J].船海工程.2008-12-25：6-9.

[6]SHIPFLOW DESIGN TUTORIALS? 2015-04-16.

[7]楊葆和.船舶設(shè)計實用手冊-總體分冊[M].北京，國防工業(yè)出版社（第3版），2013.