隱形球首在豪華郵輪上的應用研究

王 亮，潘逸濤，王 冕，鐘 凱

(1. 中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

近年來，隨著豪華郵輪市場的快速增長，誕生了大量不同于以往郵輪的新船，郵輪市場的船型逐漸趨于豐富化。在整體的船型趨勢發(fā)展上，國內(nèi)已有大量學者進行了研究。董婧[1]對郵輪發(fā)展史上一系列代表性船型的參數(shù)作了分析，總結(jié)了世界郵輪發(fā)展大型化趨勢。王諾[2]的研究指出，為避免船舶吃水顯著增加，現(xiàn)代郵輪呈現(xiàn)出“肥大型”的發(fā)展趨勢。張言慶等[3]曾對郵輪船型發(fā)展趨勢作出分析，指出郵輪船型大型化和郵輪船隊規(guī)?；乾F(xiàn)代郵輪業(yè)發(fā)展的顯著趨勢。李華等[4]從關(guān)鍵參數(shù)角度對當時全球在營的228艘豪華郵輪的關(guān)鍵船型參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，除了以上的趨勢外，還指出郵輪產(chǎn)業(yè)日趨明顯的低碳環(huán)保趨勢。

在研究船型的時候，首先需要進行的即是郵輪的船首開發(fā)。經(jīng)歷了上千年的發(fā)展，已經(jīng)誕生了極為豐富的船首，包括沖角首、垂直首、雙曲線首、勺形首、飛剪首、傾斜首、球鼻首和破冰首等。到了現(xiàn)代，又出現(xiàn)了一些新型的船首，如烏斯坦的X型首和達門的斧型首。在現(xiàn)代豪華郵輪的設(shè)計中，主要采用的是前傾首和球鼻首的組合，即水線以下是球鼻首，水線以上是前傾首的船首類型，目的是盡可能地壓住或者劈開海浪，以便郵輪達到更高的航速。而當船首下沉時，向外飄的曲線也可以使水下體積呈指數(shù)級增長，從而導致浮力快速增長，船首更快復位，大大提高了縱搖穩(wěn)定性，減少了埋首現(xiàn)象，阻止了海浪沖上甲板。

近年來，隨著郵輪市場需求的高速增長和船廠建造能力的提高，豪華郵輪船型又出現(xiàn)了新的趨勢，垂直首再次被郵輪設(shè)計者所采用，其主要的優(yōu)勢除了拉長的水線有利于增加船體的長寬比，便于快速航行，減少船舶能耗之外，波浪砰擊和水動噪聲也優(yōu)于外伸的球鼻首，而唯一的缺點是船體易上浪，但現(xiàn)代的豪華郵輪動輒十幾萬噸的體量，干舷比較富裕，首部距離水面的距離足夠高，因此難以上浪，盡可能地減少了直首帶來的不利影響[5-6]。目前采用該類型船首的郵輪有AIDA郵輪的prima號和perla號、Celebrity郵輪的Edge號和Apex號、Virgin郵輪的Scarlet lady號等。此外，還有采用“垂直首+小球首”組合船首的Costa Smeralda號，均為近幾年才下水的新船。

以上的船型外形可以總結(jié)為如圖1所示的2種船首類型。

圖1 兩種船首示意圖Fig. 1 Schematic diagram of two types of bow

1 模型的建立及計算

水線以下為球鼻首，以上為前傾首的船型在郵輪行業(yè)經(jīng)歷了一定時間的發(fā)展，是目前的主流船型，以下稱為常規(guī)球首船型，帶有隱形球首的垂直首船型以下則稱為隱形球首船型。根據(jù)球鼻首的設(shè)計原理，球鼻首的主要作用機理是通過預先產(chǎn)生興波來對船首水線處產(chǎn)生的興波進行抵消，以減小興波阻力，顯然隱形球首船型設(shè)計之初的目的與常規(guī)球鼻首存在本質(zhì)性的區(qū)別。

1）要進行船舶設(shè)計的基礎(chǔ)考慮，即主尺度要素的考慮，主尺度選擇是否合適直接影響后續(xù)設(shè)計工作，因此選擇適當?shù)闹鞒叨扔葹橹匾?。傳統(tǒng)船舶設(shè)計的主尺度包括長L、寬B和吃水T等，在進行郵輪的研究時則需要考慮注冊總噸位GRT，載客量和艙室數(shù)量等因素。經(jīng)過綜合的考量后，將本文建立的2種郵輪定位為15萬總噸，最終選擇的2種船型的主參數(shù)如表1所示。為了方便計算選擇了42.8的縮尺比，后續(xù)的結(jié)果也是縮尺后的結(jié)果對比。

表1 兩種船型主要參數(shù)對比Tab. 1 Comparison of main parameters of two types of ships

2）在剖析豪華郵輪設(shè)計中隱形球首船型出現(xiàn)的原因時，需要確認本文研究所需要考慮的2種船首具體的形狀，因此分別繪制了常規(guī)球首船型和隱形球首船型的型線圖，以便通過CFD軟件STAR-CCM+計算對比獲取船型的特征和快速性性能，具體如圖2所示。

圖2 兩種船艏模型的型線圖Fig. 2 Line plans of two types of bow

3）利用上述2種模型的型線圖對2種船首模型進行建模，劃分網(wǎng)格，分別獲得模型的表面計算網(wǎng)格，具體如圖3所示。

圖3 兩種船首船型的表面網(wǎng)格對比Fig. 3 Comparison of surface mesh of two types of bow

建立以上2種模型的主要目的是通過STAR-CCM+進行CFD計算，得出隱形球首船型與常規(guī)球首船型的優(yōu)劣所在，分析隱形球首在豪華郵輪行業(yè)應用的前景，明確設(shè)計和優(yōu)化的方向。

2 計算結(jié)果分析

2.1 數(shù)值結(jié)果的對比

為了更好地對比船型在設(shè)計航速附近的快速性，分析了2種船型分別從18 kn到36 kn的阻力。這種研究方法的原因主要由2種，一是由于了解到目前運營的豪華郵輪航速普遍在18～25 kn左右，需要明確2種船首模型在郵輪正常航速區(qū)間內(nèi)的船型性能；二是需要通過高速航行時2種船首模型的阻力變化明確船型的興波阻力劇烈變化的臨界速度Vc，該參數(shù)往往決定了設(shè)計的船型方案最為合適的最高航速。

對比常規(guī)球首和隱形球首的總阻力-航速曲線以及興波阻力-航速曲線，如圖4所示。

獲取常規(guī)球首和隱形球首分別在18，22和25 kn時的波形圖，主要目的是對比2種船型在不同服務航速段時的波形特征，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)波形整體上沒有明顯的差異，主要的差異在于隱形球首船型整體上保持得較為均勻，主要是船首部和尾部存在較高的興波，常規(guī)球首船型的首部則擁有更高更明顯的興波。

2.2 隱形球首船型的特征

通過上述的數(shù)據(jù)和圖示可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)船首和隱形球首在郵輪通常的服務航速段即18～25 kn之間，總阻力的差異并不明顯，呈現(xiàn)出的趨勢為：在18～20 kn航速段內(nèi)，隱形球首的阻力更小；在20～23 kn航速段內(nèi)，常規(guī)球首的阻力更??；在23～25 kn航速段內(nèi)，隱形球首的阻力再次小于常規(guī)球首。

圖4 兩種船型的阻力對比圖Fig. 4 Resistance comparison of two types of ships

圖5 兩種船型的波形對比圖Fig. 5 Waveform comparison of two types of ships

本文在建立隱形球首的模型時，考慮的是整體的總長、船寬和排水量保持不變，主要是通過調(diào)整首部線型，拉長水線的方式來完成，因此隱形球首模型具有更大的水線長寬比。從圖4（b）的結(jié)果中可以清晰地看到本文建立的隱形球首的興波阻力小于常規(guī)球首，證明在興波阻力的表現(xiàn)上，隱形球首拉長的水線和隱形球首的設(shè)計帶來的興波減小整體上優(yōu)于常規(guī)球首船型的興波阻力。與此相對，更長的水線也會帶來更大的濕表面積，同時帶來更大的摩擦阻力，因此在選擇2種船首時，需要考慮摩擦阻力增大和興波阻力減小的影響。

以上發(fā)現(xiàn)整體上符合球鼻首的作用機理，對于附帶常規(guī)球鼻首的豪華郵輪，在適當?shù)暮剿俣蝺?nèi)（如圖5所列舉的22 kn左右），其快速性略優(yōu)于附帶隱形球首的豪華郵輪，具體合適的航速段選取則可以回顧圖4（b）的興波阻力曲線，在28～29 kn之間，常規(guī)球首船型經(jīng)歷了興波阻力的驟升，達到了該船型的興波阻力臨界速度。為了更好地規(guī)避臨界速度Vc，往往可以選擇75%的臨界速度Vc作為設(shè)計航速。根據(jù)以上考慮，對于本文所建立的常規(guī)球首船型，設(shè)計航速可以在21～21.75 kn之間考慮，恰好處于圖4（a）中常規(guī)球首總阻力小于隱形球首的區(qū)間。

圖4（b）中顯示隱形球首的阻力變化較為緩和，倘若在設(shè)計時有特殊需求，比如最高達到25 kn以上的橫跨大西洋高速航線，或船東日趨關(guān)注的18 kn左右經(jīng)濟航速下的性能，則可以考慮采用隱形球首的設(shè)計，而且本文所建立的模型僅為對比驗證，尚有很大的優(yōu)化空間。

3 結(jié) 語

本文主要通過總結(jié)目前豪華郵輪市場出現(xiàn)的新船型趨勢，對附帶隱形球首的垂直船首進行了建模，并且通過CFD計算，與傳統(tǒng)的球鼻首進行了對比，得到以下結(jié)論：

1）在近5年，出現(xiàn)了不少擁有隱形球首的豪華郵輪，雖然也有類似于球鼻首的結(jié)構(gòu)，但作用機理與傳統(tǒng)球首并不同。

2）在保持主尺度和排水量不變的情況下，本文建立的隱形球首船型相較于常規(guī)球首船型而言，興波阻力更小，總阻力在20～23 kn區(qū)間內(nèi)稍大，其余航速段更小。

本文通過在常規(guī)球首船型基礎(chǔ)上拉長水線的方式建立了隱形球首船型，外形接近于AIDA prima號郵輪，這可能并不是最優(yōu)的設(shè)計思路，僅作為參考，該船型仍有很大的設(shè)計和優(yōu)化空間。