葉 昊 紀 凱

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

38 000 m3耙吸挖泥船線型設計優(yōu)化研究

葉 昊 紀 凱

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

大型或超大型耙吸挖泥船采用優(yōu)選的雙尾鰭線型，同時與帶折角線的前體線型有機結合，可有效降低總阻力，提高推進效率。文中結合38 000 m3耙吸挖泥船帶雙尾鰭的淺吃水肥大船型的船型特征，利用CFD分析技術對該船的艏艉線型進行設計與優(yōu)化，模型試驗結果表明，優(yōu)化線型船的航速超過了設計指標，達到設計要求。

耙吸挖泥船；型線設計；雙尾鰭；CFD優(yōu)化

引 言

上世紀90年代初期，隨著船舶產業(yè)的發(fā)展和亞洲經濟強勁復蘇，推動了世界疏浚市場的蓬勃發(fā)展。為順應經濟建設的需求，超大型耙吸船（17 000 m3以上）的發(fā)展相當迅猛。超大型耙吸挖泥船可顯著提高作業(yè)效率，并促使單方土成本下降，因此在大型疏浚和吹填工程中起到了主導作用。與此同時，淺吃水肥大型船的優(yōu)越性更加明顯。近幾年來，國外主要建造商所生產的大型耙吸船長寬比都在5.0甚至4.5以下，船寬疏浚吃水比也多在3.0以上，方形系數(shù)逐漸提高，最大者可近0.90［1-2］。

在船舶主尺度重大變革的同時，船體線型以及相關的首尾形狀也伴隨發(fā)生明顯變化，超長球艏及雙尾鰭的采用表現(xiàn)得尤為突出。線型設計是船舶設計的重要設計內容，關系到船舶的快速性、適航性（尤其對淺水航道的適應性）、穩(wěn)性、以及裝載能力等多項主要性能指標［3］。本文將闡述針對38 000 m3耙吸挖泥船的基本設計進行的船體線型設計和優(yōu)化研究。

1 船舶主尺度

本船的設計艙容為38 000 m3，泥漿密度按1.6 t/m3考慮。我們在此艙容和載泥量的基礎上進行主尺度選取，參考當今世界上30 000 m3以上超大型耙吸挖泥船主尺度及船型參數(shù)，并通過對不同尺度方案（如長、寬、方形系數(shù)和吃水等）的變化進行綜合對比估算，最終確定主尺度如下：

總 長 ～198.00 m

垂線間長 180.00 m

型 寬 40.00 m

型 深 18.50 m

平均型吃水（夏季載重線，國際干舷）12.00 m

平均型吃水（疏浚標志、國際半干舷）14.00 m

方形系數(shù) ～0.89

艙 容 ～38 000 m3

服務航速 16.5 kn

2 船體線型設計及優(yōu)化

2.1 初步線型設計

本船線型設計和優(yōu)化的基本目標是在給定的主尺度和主要船型參數(shù)的條件下，達到38 000 m3的泥艙艙容；吃水14 m、推進功率為14 500 kW×2時，設計航速達16.5 kn；同時在吃水14 m、推進功率8 200 kW×2、挖深40 m、雙耙作業(yè)時，對水航速達6.8 kn，即船對地航速約為2.8 kn，逆流流速為4 kn。在進行初步線型設計時，除了常規(guī)的考慮因素外，結合本船特點還需注意以下幾個方面：

（1）泥艙的布置位置應與線型相匹配，在主尺度的限制條件下選取合適的平行中體長度，且平行中體的布置應便于船首耙管吸口處滑軌的安放；

（2）根據耙吸挖泥船航行及作業(yè)特點，在滿足不同裝載狀態(tài)的浮態(tài)及穩(wěn)性前提下，本船線型要兼顧航行和作業(yè)狀態(tài)下的快速性；

（3）本船屬淺吃水肥大型船，線型設計需考慮該船型特點；

（4）本船屬尾機型船舶，故艉部雙尾鰭線型要確保各種機電設備的布置空間，同時還需給尾部導管槳布置留有足夠的空間。

本船線型的研究將從首部和尾部入手。本船方形系數(shù)較大，傅氏數(shù)約為0.2，興波阻力和粘壓阻力在總阻力中都占有一定的比重，故希望通過合理設計首部線型和尾部線型，減小首部興波阻力和尾部粘壓阻力。同時為了避免出現(xiàn)首傾，浮心位置的目標值應取在船舯偏前位置處，以滿足各種工況浮態(tài)的要求。

2.1.1 前體線型初步設計

耙吸挖泥船需要在淺水域航行和施工作業(yè)，因此淺吃水船型性征對疏浚性能的發(fā)揮具有重要影響。采用大球鼻艏可大大改善淺水阻力性能，同時有助于增加船首浮力，減少埋首現(xiàn)象的發(fā)生。隨著船型日益肥大，從船首段到平行舯體之間的線型變化較大，球鼻艏做得較長且較大也有利于首部型線的平緩過渡?；谝陨显颍敬捎么笄虮囚?。

作為優(yōu)化船型的手段，CFD技術在國內外已經得到廣泛應用。我們運用荷蘭MARIN水池開發(fā)的基于勢流理論的RAPID軟件進行船首部興波阻力的計算。球艏長度的選取是影響首部興波的一個要素，在前期分析計算中，通過參考國外相近船型資料，并結合不同球艏長度的CFD阻力計算對比可知，球艏長度取8～10 m較為合適，同時還可將球艏略向上翹，以減小首部興波。

目前國外大型或超大型耙吸挖泥船前體線型的球艏處多帶有折角線。針對這一舉措給船體阻力可能帶來的影響，我們選擇3個不同的首部方案（M1、M2、M3）進行了對比計算分析。三者方形系數(shù)都保持在0.89左右，球艏長取10 m，各首部方案縱剖線如下頁圖1。M1首部線型無折角線；M2首部主船體與球艏相接的折角線向平行中體過渡時向下凹，但下凹幅度較大；M3首部主船體與球艏相接的折角線下凹幅度較小。

下頁表1為經RAPID軟件計算得出的三種首部線型挖泥吃水下興波阻力系數(shù)比較表。

圖1 三種首部線型方案

表1 不同首部方案的興波阻力系數(shù)比較

由表1可看出， M1和M2 的興波阻力分別是M3的148%和105%?？芍螋继帋д劢蔷€能有效減小船體興波阻力，同時為保證來流順暢，該折角線下凹幅度不宜過大。

2.1.2 尾部線型初步設計

本船屬于淺吃水肥大型船，對B/T較大的淺吃水船而言，若采用常規(guī)船型，由于尾部肥胖，去流段變短，會給船的阻力性能、推進效率、振動、操縱性等方面帶來不利影響，而采用雙尾鰭則是一條有效途徑。雙尾鰭船型可減小尾部粘壓阻力和興波阻力，同時較常規(guī)雙槳船有更高的伴流分數(shù)及船身效率［4］。另外，針對耙吸挖泥船來講雙尾鰭線型還有一個突出的好處是有利于輪機設備的向后推移，節(jié)省的空間可用于泥艙長度的增加，使泥艙裝載能力得到有效提高，并因為彎矩的相應減小而節(jié)省鋼材重量［5］。

張大有、宋家瑾等人［4，6］對雙尾鰭線型的基本特征作了一些描述，對于大方形系數(shù)的雙尾鰭船型，在線型設計時一般應加大兩鰭彼此內表面間距，且使其外傾，角度可控制在14°～ 17°之間，這樣可盡量避免兩鰭間的內隧道因存在壓力差而出現(xiàn)的橫向流甚至倒流。同時，為防止兩鰭中間隧道壓力梯度的突然變化，中縱剖線形狀應盡量平緩，兩鰭間中縱剖線的去流角一般可控制在15°左右。

尾軸間距也是影響船體阻力性能的一大要素，孟憲欽、李世謨等人［7-8］都對雙尾鰭船型的尾軸間距對阻力性能產生的影響作了試驗研究，對某一船型來講，尾軸間距與船寬比存在最佳值，但這一最佳值視船型不同而不同。根據以往的實船經驗，對于耙吸挖泥船來說尾軸間距與船寬比控制在0.40～0.45之間較為合適。同時，尾軸間距的選取還要考慮機艙的布置，由于本船機艙中部還設有泥泵艙，尾軸間距與船寬比若取0.40～0.45之間，對泥泵艙布置不利，經權衡后我們將這一比值定為0.5。

基于以上對雙尾鰭線型特征的描述，并結合以往經驗，我們建立了一個初步的雙尾鰭線型，同時艏部采用M3方案，形成初步線型，其船體模型如圖2所示，該線型在挖泥吃水14 m處方形系數(shù)為0.894 8。對初始線型進行的船模結果顯示：該挖泥船在雙槳收到功率為29 000 kW時，吃水為14 m時的航速為15.97 kn，小于之前預設的16.5 kn的目標值，因此需要對此線型作進一步優(yōu)化。

圖2 初步線型船體模型

2.2 線型優(yōu)化

初始線型方型系數(shù)大于最初設定的方形系數(shù)0.89，同時雙尾鰭線型設計還不是很合理，且尾鰭較肥大，尾部流場的順暢度不夠好，故還有一定的優(yōu)化空間。為此，我們將方形系數(shù)降低至0.89左右，抬高球艏以改善肩波，優(yōu)化雙尾鰭形狀，削瘦尾鰭，同時將尾鰭設計成沿鰭軸內側薄于外側的非對稱形狀，以減小水流分離和縱向渦；在滿足機艙布置的情況下進一步減小中縱剖線的去流角，使得尾部的去流段更為平緩。初步線形和優(yōu)化線型對比見圖3。

圖3 初步線型和優(yōu)化線型（紅色）首尾對比

另外，由于本船在呆木內加裝了尾側推，故呆木體積較大，在初步線型中呆木尾端采用了較大半徑的圓弧過渡，這樣易導致尾部水流分離，引起粘壓阻力的增加，因此我們將呆木尾段改成了橢圓弧過渡（見圖4），使得尾部去流段較為緩和。

圖4 初步線型和優(yōu)化線型呆木型式對比

我們運用CFD軟件FLUENT，對初步線型和二次優(yōu)化線型進行了裸船阻力、伴流對比計算分析。表2為計算所得阻力結果，其中Rp為壓阻力，Rf為摩擦阻力，Rt為總阻力，Cp、Cf和Ct為相對應的阻力系數(shù)，S為濕表面積。由該表可知，二次優(yōu)化線型相對初步線型裸船體總阻力系數(shù)有一定減少。

表2 裸船體阻力計算結果

對比初步和優(yōu)化線型方案的波型沿船長方向縱切面（圖5）可以看出，和初步線型相比，優(yōu)化線型的首波峰值略有降低，且首部第一個波谷寬度明顯變小。

圖5 初步和優(yōu)化線型波型沿船長方向縱切面

對比兩個方案的尾部壓力分布圖（圖6）可知，在初步線型方案尾部的船底抬升處有明顯的低壓區(qū)，而優(yōu)化線型方案在這一區(qū)域的壓力分布得到了明顯改善。

圖6 初步和優(yōu)化線型尾部壓力分布圖

圖7為裸船體左槳槳盤面伴流等值線對比圖，可看出優(yōu)化線型方案的槳盤面伴流等值線圖中的伴流峰值相對于原型方案略有減小，伴流區(qū)域分布也更為均勻。

圖7 初步和優(yōu)化線型尾部伴流等值線圖

針對優(yōu)化線型方案做的模型試驗表明：當雙槳收到功率為14 500×2 kW，挖泥吃水14 m狀態(tài)時，航速達到了16.79 kn，高于初步線型方案15.97 kn的航速，并超過VS=16.5 kn的設計指標。圖8為挖泥吃水狀態(tài)初步線型和優(yōu)化線型收到功率曲線的比較，在對應設計航速點16.5 kn上，優(yōu)化線型的槳收到功率相對低10.2%。由此可知，通過合理優(yōu)化雙尾鰭線型及呆木型式，本船的阻力性能得到顯著提高，并且由于尾部伴流的改善，提高了本船的推進效率。

圖8 挖泥吃水狀態(tài)初步線型和優(yōu)化線型收到功率比較

圖9為在平均吃水14 m、推進功率8 200 kW×2時，初步線型和優(yōu)化線型的拖力預報結果對比?？梢姡瑑?yōu)化線型的預報拖力也得到顯著提升。若每個耙頭阻力取500 kN，可有效滿足挖深40 m、雙耙作業(yè)時對水航速約6.8 kn（即船對地航速約為2.8 kn，逆流流速為4 kn）的作業(yè)航速要求。

圖9 初步線型和優(yōu)化線型拖力預報結果比較

3 結 論

大型或超大型耙吸挖泥船采用優(yōu)選的雙尾鰭線型，同時與帶折角線的前體線型有機結合，可有效降低總阻力，提高推進效率。本文通過運用CFD技術，針對首尾線型方案進行流場計算和對比分析，最終得出優(yōu)化線型，試驗結果證明其能有效滿足設計要求，與CFD方法優(yōu)化的目標一致，這也驗證了基于CFD 技術的線型優(yōu)化方法在大型耙吸挖泥船的實船設計中具有可行性。

［1］ 劉厚恕.國外挖泥船發(fā)展新態(tài)勢［J］.船舶，2009（6）：1-7.

［2］ 劉厚恕，郭德威.建造中的亞洲巨無霸——馬來西亞34 000 m3耙吸挖泥船［J］. 船舶，2011（4）：6-9.

［3］ 劉厚恕.耙吸挖泥船在我國的發(fā)展及大型化展望［J］. 上海造船，2003（1）：45-49.

［4］ 張大有，朱濤，李紹波.雙尾鰭船型研究與發(fā)展分析［J］. 船舶工程，2006（6）：58-62.

［5］ JAGER A DE. A success story originating from ship research［J］. Ports and Dredging，2006（E165）：4-9.

［6］ 宋家瑾.淺吃水肥大型雙尾鰭船流態(tài)試驗研究［C］.中國造船論文集，1985.

［7］ 孟憲欽.淺吃水肥大船線型試驗研究［C］. 中國造船論文集，1985.

［8］ 李世謨.雙尾節(jié)能船型［J］.武漢理工大學學報（交通科學與工程版），1986（3）：1-6.

Lines design and optimization of 38 000 m3trailing suction hopper dredger

YE Hao JI Kai
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Large and ultra large trailing suction hopper dredgers adopt optimized the twin-skeg form, which can reduce the overall resistance and improve the propulsion efficiency by combining with knuckle line forebody. According to the shallow draft full ship characteristics of a 38 000 m3trailing suction hopper dredger with twinskeg form, bow and stern lines are designed and optimized by the CFD analysis technology. The test results show that the speed with optimized lines exceeds the speci fi ed target speed and meet the design requirements.

trailing suction hopper dredger; lines design; twin-skeg; CFD optimization

U661.3

A

1001-9855（2014）03-0014-06

2013-12-09 ；

2013-12-24

葉 昊（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：工程船舶總體設計。

紀 凱（1975-），女，碩士，研究員，研究方向：工程船舶總體設計。