胡文婷，任?？惤ㄍ?/p>

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 a. 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

0 引 言

2016年，中共中央審議通過了《長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃綱要》，確定了以長江黃金水道為依托，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長空間從沿海向沿江內(nèi)陸拓展的發(fā)展路線。在此之前，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于依托黃金水道推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確提出將推廣江海直達(dá)船型作為增強(qiáng)長江干線航運(yùn)能力的一項(xiàng)重要任務(wù)[1]。在此背景下，長江集裝箱江海直達(dá)運(yùn)輸將迎來高速發(fā)展期。

目前，大部分正在運(yùn)營的江海直達(dá)船都難以滿足最新生效的《特定航線江海通航船舶建造規(guī)范》和更高的節(jié)能減排指標(biāo)的要求，因此亟待開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)、環(huán)保性更好、長江水域適應(yīng)性更強(qiáng)的大型江海直達(dá)集裝箱船。

本文以1 100 TEU江海直達(dá)集裝箱船為研究對(duì)象，針對(duì)艏艉線型和水動(dòng)力節(jié)能裝置開展船型優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，并通過數(shù)值模擬和船模試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化船型在阻力性能、推進(jìn)效率和節(jié)能環(huán)保等方面的優(yōu)越性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 線型優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的船舶主要在長江水域的武漢至上海航段航行，設(shè)計(jì)航速為10.8 kn，對(duì)應(yīng)的弗勞德數(shù)Fr≈0.15，方型系數(shù)大于0.8，為低速肥大型船。研究表明，可采用分段原理對(duì)此類型船進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即將船型分為3段，分段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中：艏部進(jìn)流段的設(shè)計(jì)盡量減小興波阻力；艉部去流段的設(shè)計(jì)提高推進(jìn)效率；中段平行舯體根據(jù)排水量的要求調(diào)整[2-3]。因此，該類型船線型優(yōu)化的關(guān)鍵是艏部和艉部。

1.1 艏部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

該船的母型船為800 TEU江海直達(dá)集裝箱船，其艏部采用球鼻艏形式。球鼻艏可減小或消除船首底部舭渦，從而減小黏壓阻力[4]。但是，研究表明，對(duì)于低速肥大型船而言，直型艏在減小靜水阻力和波浪增阻方面相比常規(guī)球艏船有明顯的優(yōu)勢(shì)[5]。直型艏是指在保持總長不變的前提下增大兩柱間長，從而減小水線的進(jìn)水角，減少破波的產(chǎn)生；同時(shí)，橫剖面形狀保留球鼻艏的特點(diǎn)，保持球鼻艏船型的減阻特性，改善船首底部的漩渦運(yùn)動(dòng)。

分別采用常規(guī)球艏形式(方案A)和直型艏形式(方案B)對(duì)該船進(jìn)行艏部線型優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)勢(shì)流理論對(duì)這2種方案進(jìn)行興波阻力計(jì)算分析，結(jié)果見圖1。從圖1中可看出：方案B的整體波形相比方案A有明顯的改善，尤其是艏肩波和船側(cè)興波明顯減弱；方案B的船體周圍興波平緩，具有更好的靜水阻力性能。采用通用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析軟件STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明，方案B的艏部改型減阻效果達(dá)到6.7%，故選擇方案B作為該船艏部?jī)?yōu)化方案。

a) 方案A

b) 方案B

1.2 艉部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于江海直達(dá)運(yùn)輸船而言，其螺旋槳直徑受限于船舶吃水，采用雙機(jī)雙槳更合適。在滿足機(jī)艙布置要求的前提下，主要從兩軸間距和艉鰭形狀2個(gè)方面進(jìn)行艉部線型優(yōu)化。雙艉鰭的軸間距直接影響船體阻力，在上述方案B的基礎(chǔ)上，對(duì)軸間距分別為0.38B、0.40B和0.45B的3種線型進(jìn)行對(duì)比分析，其中B為船寬。圖2為3種線型方案對(duì)比。采用CFD方法分別對(duì)這3種線型方案的阻力性能進(jìn)行數(shù)值評(píng)估，結(jié)果見表1。由表1可知，艉鰭的軸間距越小，阻力就越小。為兼顧船體布置，該船的艉部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)選擇雙艉鰭軸間距為0.40B的線型方案。

雙槳船一般采用內(nèi)旋推進(jìn)，但本文所述目標(biāo)船的寬度吃水比B/T=4.3，寬度較大，吃水較淺，外旋推進(jìn)的效率優(yōu)于內(nèi)旋推進(jìn)。針對(duì)外旋推進(jìn)，增強(qiáng)艉鰭外側(cè)向上的水流流動(dòng)，減弱艉鰭內(nèi)側(cè)向上的水流流動(dòng)，形成有利于外旋工作的預(yù)旋流，可增加助推效果。最終艉部改型減阻3.8%。

1.3 全船整體優(yōu)化

通過對(duì)艏部和艉部進(jìn)行線型優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足限制條件的最優(yōu)方案；結(jié)合全船的排水量要求，對(duì)整體線型進(jìn)行光順處理，形成最終的線型優(yōu)化方案。經(jīng)過CFD數(shù)值計(jì)算評(píng)估，得到最終優(yōu)化船型的減阻效果相比初始船型達(dá)到11%。

圖2 3種線型方案對(duì)比

表1 vs=11 kn情況下3種線型方案CFD阻力值對(duì)比

2 節(jié)能附體設(shè)計(jì)

船舶的能耗量較大，其節(jié)能技術(shù)研究一直備受關(guān)注。附體節(jié)能技術(shù)作為有效的節(jié)能手段，已在實(shí)船上得到廣泛應(yīng)用。據(jù)調(diào)查，近年來在散貨船、油船和集裝箱船等三大主力船型中，70%以上的新建船舶都考慮采用附體節(jié)能。散貨船和油船大多采用前置節(jié)能導(dǎo)管、導(dǎo)流鰭、前置預(yù)旋定子和Mewis導(dǎo)管等槳前節(jié)能附體；集裝箱船更多地考慮采用槳后節(jié)能附體，如舵球、轂帽鰭和扭曲舵等。

為進(jìn)一步降低能耗，對(duì)本文所述目標(biāo)船開展節(jié)能附體裝置研發(fā)工作。針對(duì)該船的線型特征和流場(chǎng)特性，選取舵球作為節(jié)能附體裝置。舵球?yàn)榱骶€型回轉(zhuǎn)體，安裝在正對(duì)螺旋槳軸中心線的舵上。通過填充螺旋槳轂帽后的低壓區(qū)空間，舵球?qū)蟮乃饔休^好的整流作用，不僅能減少紊流渦流引起的能量損失，而且能減少艉流收縮，提高螺旋槳的運(yùn)行效率[6]。運(yùn)用STAR -CCM+軟件，采用穩(wěn)定實(shí)用的計(jì)算方法對(duì)船、槳、舵和附體相互干擾下的水動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的非定常水動(dòng)力性能，分析加裝舵球之后螺旋槳受力的變化情況，討論舵球?qū)Υ巴七M(jìn)效率的影響。優(yōu)化設(shè)計(jì)的船后螺旋槳與舵球模型見圖3。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的船后螺旋槳與舵球模型

CFD自航模擬全部采用疊模法，螺旋槳旋轉(zhuǎn)模擬采用MRF(Moving Reference Frame)法。計(jì)算時(shí)船舶航速不變，改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速，得到不同轉(zhuǎn)速ni下的船體阻力Ri、螺旋槳推力Ti和扭矩Qi，則自航所需的強(qiáng)制力為

Fdi=Ri-Ti

(1)

船模航速為vm時(shí)對(duì)應(yīng)實(shí)船自航點(diǎn)的摩擦阻力修正值Fd為

(2)

式(2)中：ρm為水的密度；Sm為船模濕表面積；Cfm和Cfs分別為船模和實(shí)船的摩擦阻力系數(shù)。

當(dāng)Fdi=Fd時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速就是該航速下實(shí)船自航點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，繪制Fdi-n、Ti-n和Qi-n曲線，在這些曲線上插值得到自航點(diǎn)下的槳模轉(zhuǎn)速n、推力T和扭矩Q。若計(jì)算得到的船體阻力為Rm，則推力減額t為

(3)

根據(jù)推力T、扭矩Q和轉(zhuǎn)速n計(jì)算出推力系數(shù)KT和扭矩系數(shù)KQ，采用等推力法，利用KT對(duì)敞水曲線進(jìn)行插值，得到進(jìn)速系數(shù)J、敞水扭矩系數(shù)KQ0和敞水效率η0，則相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率為

ηR=KQ0/KQ

(4)

伴流分?jǐn)?shù)為

(5)

船身效率為

ηH=(1-t)/(1-ω)i

(6)

推進(jìn)效率為

ηD=η0ηHηR

(7)

計(jì)算結(jié)果表明，加裝舵球之后，螺旋槳產(chǎn)生的推力更大，而扭矩增加不多，推進(jìn)效率得以提高，舵球的節(jié)能效果約為2.3%。

3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

盡管CFD數(shù)值分析在船型優(yōu)化設(shè)計(jì)中起到了重要作用，但最終的優(yōu)化效果仍需經(jīng)過模型試驗(yàn)驗(yàn)證。完成線型優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)能附體優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，根據(jù)最終的優(yōu)化方案，按模型縮尺比加工模型，通過阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)等模型試驗(yàn)驗(yàn)證該方案下船舶的快速性能和附體的節(jié)能效果；同時(shí)，試驗(yàn)得到的剩余阻力系數(shù)、自航因子和螺旋槳收到功率等參數(shù)的模擬結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。靜水快速性數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)見圖4。

a) 數(shù)值計(jì)算

b) 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化船型的剩余阻力系數(shù)相比母型船明顯減小(見圖5)，阻力性能優(yōu)良，優(yōu)化效果明顯；艉部流態(tài)較好，推進(jìn)效率較高(見圖6)。同時(shí)，有效功率的計(jì)算值與試驗(yàn)值相比，計(jì)算值的誤差只有0.24%(見表2)，證明該船采用的數(shù)值計(jì)算方法和策略具有較高的計(jì)算精度。節(jié)能裝置對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，該船加裝舵球之后收到功率約可下降2%，與數(shù)值模擬得出的節(jié)能效果吻合(見圖7)。

圖5 剩余阻力系數(shù)曲線

圖6 自航因子曲線

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7 舵球推進(jìn)效率對(duì)比曲線

最終，在85%主機(jī)連續(xù)輸出功率下，考慮15%風(fēng)浪儲(chǔ)備，在加裝舵球的情況下，該船的服務(wù)航速達(dá)到11.30 kn。

4 結(jié) 語

本文在給定的船型參數(shù)和限制條件下，結(jié)合CFD線型優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，開展了球艏和直型艏船型方案設(shè)計(jì)優(yōu)化、不同艉鰭軸間距方案設(shè)計(jì)對(duì)比和艉鰭形狀優(yōu)化等，并對(duì)優(yōu)化過程中各船型方案的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和波形分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，最終得到了一個(gè)具有較佳流場(chǎng)特性、興波較小、船體表面壓力梯度緩和的優(yōu)化船型。在靜水中對(duì)最終得到的優(yōu)化船型進(jìn)行了快速性模型試驗(yàn)，結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下，優(yōu)化船型的實(shí)船預(yù)報(bào)航速約為11.30 kn，比設(shè)計(jì)航速10.80 kn提高了0.50 kn，優(yōu)化效果明顯。

此外，針對(duì)該船設(shè)計(jì)的舵球有明顯的增效作用。運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行船-槳-舵節(jié)能附體一體化自航模擬和加裝舵球的模型對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用2種方法得到的舵球節(jié)能效果吻合，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算策略的可靠性。本文設(shè)計(jì)的舵球在結(jié)構(gòu)吃水狀態(tài)下的節(jié)能效果約為2%，航速提高約0.07 kn。