小型漁政船線型及附體設(shè)計優(yōu)化

李 納，梁建生

(中國水產(chǎn)科學研究院 漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

0 引 言

為加強對近海和內(nèi)陸漁業(yè)水域的監(jiān)督管理，維護漁場生產(chǎn)秩序，保護水域生態(tài)環(huán)境，近年來國家批復建造了一批中小型漁政船。這批漁政船必要時可參與復雜水域的人命救生和船舶救助，對快速性要求較高，因此優(yōu)化船舶阻力性能是中小型漁政船設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

漁政船為多附體船，影響其快速性的因素較多，如常規(guī)的艏艉形狀和縱向體積分布等特征，此外尾鰭、呆木和支架的型式等也會對其阻力性能產(chǎn)生較大影響。本文對艏艉線型、船型系數(shù)、舭龍骨、艉封板等附體進行優(yōu)化和對比，得出不同線型要素和附體特征對漁政船阻力性能的影響結(jié)果。

1 船舶線型

艏艉形狀對船舶性能有影響，特別是小型漁政船方形系數(shù)小、艏部線型瘦削，對船舶的快速性和耐波性有較大影響，艉部線型的選擇須考慮其與推進裝置的配合。漁政船型線優(yōu)化的方向是在滿足穩(wěn)性、快速性、耐波性的前提下對船舶主尺度和線型特征進行優(yōu)化選擇。

1.1 船首形狀

船舶最前端部分，由龍骨線至船體頂部被稱為艏部，其側(cè)形具有不同型式，如垂直式船首、傾斜-垂直(斜直)式船首、傾斜式船首、球鼻艏等，其中斜直式船首、傾斜式船首和球鼻艏常用于漁政船，如圖1所示。

圖1 各種船首型式

斜直式船首是將船舶首柱在滿載水線以上部分設(shè)計成前伸的型式，滿載水線以下部分仍保留垂直式。斜直式船首有兩大優(yōu)點：一是使船舶滿載水線以上的水線較為瘦削，從而有助于減小船舶在波浪中的縱搖和升沉運動；二是可增加船舶甲板面積，有利于甲板機械等設(shè)備的布置，比較美觀[1]。

傾斜式船首將整個船舶首柱設(shè)計成前傾形式。傾斜式船首滿載水線以上部分與斜直式船首基本相同，產(chǎn)生的作用也基本相同。但是，傾斜式船首滿載水線以下部分不宜切去過多，否則會縮短水下部分的水線，對阻力性能不利。

球鼻艏是在滿載水線以下的船首處加裝一個球形突出體。在不同船舶上采用球鼻艏通常能取得減小興波阻力、破波阻力和舭渦阻力等效果。對于弗勞德數(shù)Fr在0.27～0.34的中高速船，安裝球鼻艏可降低興波阻力；對于Fr在0.20以下的肥大型船，滿載時球鼻艏可減小舭渦阻力，壓載時主要是減小破波阻力。

在設(shè)計漁政船時主要根據(jù)阻力性能選擇合適的艏部型式。我國目前建造較多的中小型漁政船對快速性要求較高，對于方形系數(shù)在0.45左右、Fr在0.40左右或以上的漁政船，選用球鼻艏線型不利于減小興波阻力；對于Fr在0.32～0.35的漁政船，設(shè)置球鼻艏則能形成有利干擾而減小總阻力[2]。

1.2 船尾形狀

船尾有3種常見形狀：橢圓船尾、巡洋艦型船尾和方艉。

橢圓船尾的特點是艉柱取垂直型式，目前已被巡洋艦型船尾所代替。

巡洋艦型船尾的特點是將滿載水線附近的艉部水線向后適當延長，相當于增加水線長度，有利于減小船舶的興波阻力和黏壓阻力。此外，船尾面積的增加有利于初穩(wěn)性的增加，便于布置舵機等設(shè)備，同時對螺旋槳和舵有保護作用，可提高推進效率。

方艉的特點是將船尾端作成刀切式的平直狀，各水線面的艉部形狀接近方形，或成弧形方角。水面高速艦艇普遍采用方艉型式[3]。方艉的艉部縱剖線坡度緩和近于直線，這樣可使水流大致沿縱剖線方向流動，減小高速水流的扭動和彎曲程度，從而減少能量損失、改善阻力性能。更重要的是方艉增加了船體的有效長度，有利于減小剩余阻力。方艉還可減少船舶航行中的艉傾現(xiàn)象。

另外，小型漁政船因吃水限制普遍采用雙槳船型，而雙槳配雙艉的船型具有良好的阻力性能和推進性能，因此在漁政船上應用廣泛。近年來隨著公務(wù)船航速要求的提高，艉部線型進一步優(yōu)化，在雙艉船型的基礎(chǔ)上，設(shè)計成導流艉鰭，提高了推進效率。

1.3 船型系數(shù)

漁政船設(shè)計初期考慮較多的船型系數(shù)是方形系數(shù)Cb和棱形系數(shù)Cp。方形系數(shù)主要受排水量影響，調(diào)整空間??；棱形系數(shù)則代表船舶排水體積沿船長方向的分布情況，對剩余阻力影響較大。因此，F(xiàn)r較高的漁政船Cp適當取大一些[4]。

2 船舶附體

漁政船一般為圓舭中高速船，對船舶附體的設(shè)計有一定要求：在發(fā)揮效能的同時盡可能降低阻力影響。

漁政船常見附體包括舭龍骨、壓浪板等，對船舶航行時的外部流場產(chǎn)生不同作用進而影響船舶總阻力[5]。

2.1 舭龍骨

舭龍骨作為固定式減搖裝置，對稱布置于船舷兩側(cè)舭部，其主要作用是增加橫搖阻尼以減小船舶橫搖，增強船體的耐波性和穩(wěn)性。在設(shè)計合理的情況下，舭龍骨對船體阻力的影響較小，主要增加摩擦阻力，試驗表明加裝舭龍骨后船舶在設(shè)計航速附近總阻力增加約5%[6]。

2.2 壓浪板

系列船模試驗表明，壓浪板可有效改善船舶的快速性能[7]。設(shè)置艉壓浪板相當于增加船舶的有效長度，改善艉部的興波阻力，因此在一定范圍內(nèi)隨著航速增加，壓浪板的降阻效果比較明顯，但是在低速巡航狀態(tài)下，壓浪板引起的摩擦阻力所占比重較大，阻力收益不明顯。

2.3 呆木

呆木，又稱分水踵，用來保證船舶航向穩(wěn)定性。大量船模試驗和CFD仿真結(jié)果表明，呆木選取過大會帶來阻力的急劇增加。

2.4 尾鰭

與普通雙機雙槳船相比，雙機雙槳配雙艉鰭的船舶有較佳的阻力和推進性能。雙艉船型后體較瘦削，有利于降低黏壓阻力，同時改善船首的興波情況。從推進方面來看，艉部設(shè)計成雙艉型后，伴流分數(shù)增大，推力減額下降，推進效率提高。

3 實船分析

3.1 初始方案

近海漁政船的航速和噸位都偏小，以一艘長江口50 噸級漁政船為例，其總長為26.8 m，水線間長為25 m，型寬為5.8 m，型深為2.6 m，吃水為1.8 m，設(shè)計航速為12.5 kn，F(xiàn)r為0.41，如圖2所示。

圖2 26.8 m漁政船型線圖

型線設(shè)計主要從總體布置、穩(wěn)性和快速性角度出發(fā)。橫剖面采用外傾舷側(cè)以改善初穩(wěn)性和橫搖角。外飄艏型既能減少艏部上浪，又具有美觀性[8]。艉部采用直切方艉型，并放寬艉部線型，既為總布置提供充分空間，又使水線面系數(shù)增大，以改善船舶穩(wěn)性、增大橫搖阻尼、改善耐波性。艉軸設(shè)單排支架，艉部設(shè)分水踵和壓浪板。

3.2 優(yōu)化方案

隨著漁政船航速的增加，對漁政船的快速性要求也在逐步提高。在初始方案的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)總布置需求，適當修改船舶主尺度，總長為31.2 m，水線間長為29 m，型寬為6.0 m，型深為2.6 m，吃水為1.85 m，設(shè)計航速為15.5 kn，F(xiàn)r為0.48，如圖3所示。

圖3 31.2 m漁政船模型圖

(1) 由于球鼻艏會造成較大的興波阻力，而且沒有形成有利干擾，因此艏部不設(shè)球鼻艏，水線以上采用前傾艏柱，水線以下采用局部垂直艏柱。

(2) 通過CFD 計算優(yōu)化分水踵，改善分水踵去流段流場壓力分布情況，減小黏壓阻力。

(3) 增加細長型艉鰭，減小阻力，改善伴流。

3.3 試驗結(jié)果

兩船船型相似，比較單位排水量下的有效功率判定其阻力性能，表1為兩船在相同航速下單位排水量的有效功率比較表。從表1可知：在相同航速下優(yōu)化方案的單位排水量下的有效功率僅為初始方案的80%，快速性較原船有改善。

表1 初始方案與優(yōu)化方案在相同航速下單位排水量的有效功率比較表

4 結(jié) 論

(1) 在對小型漁政船進行線型設(shè)計時，須根據(jù)Fr選擇合適的艏部形狀和艉部形狀，特別是中高速漁政船，選取合適的球鼻艏對阻力性能優(yōu)化有明顯效果。

(2) 在對小型漁政船進行附體設(shè)計時，由于附體對阻力性能的影響較大，需選取合適的分水踵型式。采用細長型尾鰭和軸支架組合方案，以及設(shè)計合適的壓浪板等，對降低船舶阻力進而降低能耗具有重要意義。