尹遜濱

(中集船舶海洋工程設(shè)計研究院有限公司，上海 201206)

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9 200 TEU集裝箱船球鼻艏的設(shè)計優(yōu)化

尹遜濱

(中集船舶海洋工程設(shè)計研究院有限公司，上海 201206)

以中集船舶海洋工程設(shè)計研究院有限公司設(shè)計研發(fā)的9 200 TEU集裝箱船為依托，結(jié)合船舶所有人的具體需求，設(shè)計研發(fā)5個改型球鼻艏。利用SHIPFLOW軟件分別對5種改型方案進行興波阻力、粘性阻力計算和預(yù)報。通過多方案比較確定最優(yōu)的球鼻艏模型，并進行船模試驗。試驗驗證了采用CFD軟件進行阻力預(yù)報，進而完成球鼻艏改型優(yōu)化設(shè)計的可行性。

集裝箱船；球鼻艏設(shè)計；優(yōu)化；CFD計算

0　引　言

2008年全球金融危機爆發(fā)之后，受國際貿(mào)易量不斷下降、國際燃油價格大幅上揚的影響，國際航運業(yè)，特別是集裝箱船運輸業(yè)遭受到了巨大的沖擊。目前金融危機帶來的深層次影響仍在不斷出現(xiàn)，導(dǎo)致國際航運業(yè)與全球經(jīng)濟一樣仍在低谷徘徊。全球經(jīng)濟疲軟、我國經(jīng)濟增長放緩以及運營成本不斷上漲的狀況使得國際航運市場供求失衡、運力過剩的矛盾一直沒有得到解決，各大航運企業(yè)的業(yè)績連年報虧[1]。

為應(yīng)對新的國際航運形勢，各大航運企業(yè)都在不停地尋找方法提高經(jīng)營利潤。由于船舶主機的功率與船舶航速的三次方成正比[2]，而主機油耗又與主機功率成正比，因此降低船舶航速是最直接有效的控制燃油成本的方式，很多航運公司都采取該項措施來降低燃油成本，且取得了巨大的經(jīng)濟收益?，F(xiàn)役集裝箱船的初始設(shè)計服務(wù)航速較高，一般約在23～25 kn，較高的設(shè)計航速已不適應(yīng)當(dāng)前慢航的趨勢，原來針對高航速設(shè)計的球鼻艏，也需要隨著航速的減慢而得到相應(yīng)地修改。為適應(yīng)集裝箱船低速航行的趨勢，必須對原有球鼻艏進行改造，有效化解船舶低速航行時的興波阻力，從而達到節(jié)省燃油、降低成本的目的[3]。

1　新球鼻艏的設(shè)計方案

原9 200 TEU集裝箱船鼻艏采用SV型球，可以兼顧設(shè)計吃水和結(jié)構(gòu)吃水下的阻力性能。其艉部線型設(shè)計為球尾，從而使螺旋槳盤面處流場得以改善，提高了船舶的推進效率；其前后體橫剖面均略呈V型，最大橫剖面曲線位于第9站附近。9 200 TEU集裝箱船初始的設(shè)計航速為22 kn，但根據(jù)船舶所有人反饋，其實際運營的主要航速為14～18 kn，因此原設(shè)計的球鼻艏已不能滿足要求，需針對該船的主要航速區(qū)間進行重新優(yōu)化設(shè)計。

一般用來表示球鼻艏形狀和大小的特征參數(shù)主要有橫剖面積參數(shù)、縱剖面積參數(shù)、相對排水體積參數(shù)、寬度參數(shù)、長度參數(shù)和相對浸深等。這些幾何參數(shù)基本表示了球鼻艏的形狀特征，研究球鼻艏對船體阻力的影響主要是研究這些幾何參數(shù)變化對阻力的影響[4]。圖1為球鼻艏幾何參數(shù)示意圖。

圖1　球鼻艏幾何參數(shù)示意圖

1) 橫剖面積參數(shù)Ab/Am：Ab為首柱處球鼻艏橫剖面面積；Am為船中橫剖面面積；Ab/Am反映球鼻艏的幅值條件。

2) 縱剖面積參數(shù)Abl/Al：Abl為首柱處球鼻艏縱剖面面積；Al為船中縱剖面面積；Abl/Al反映球鼻艏的幅值條件。

3) 相對排水體積參數(shù)▽b/▽：▽b為球鼻艏增加的排水體積；▽為船體排水體積；▽b/▽反映球鼻艏的幅值條件。

4) 寬度參數(shù)Bb/B：Bb為首柱處球鼻艏橫剖面的最大寬度；B為船寬；Bb/B反映球鼻艏的幅值條件。

5) 長度參數(shù)Lb/Lbp：Lb為球鼻艏最前端至首柱的距離；Lbp為船的兩柱間長；Lb/Lbp描述了球鼻艏的前伸程度，反映球鼻艏的相位條件。

6) 相對浸深Zb/D：Zb為球鼻艏中心或球鼻艏最前點或最大寬度處與靜水面間的距離；D為船的吃水；Zb/D對相位、幅值都有影響，但主要是后者。

以球鼻艏幾何特征中的橫剖面積參數(shù)、縱剖面積參數(shù)、相對排水體積參數(shù)、寬度參數(shù)、長度參數(shù)和相對浸深等參數(shù)為自變量，結(jié)合球鼻艏的基本設(shè)計原則，在各自的取值范圍內(nèi)分別選取參數(shù)并結(jié)合船舶所有人意見，針對低航速段的性能設(shè)計5種類型球鼻艏，新球鼻艏的設(shè)計方案見圖2。采用SHIPFLOW進行船舶阻力預(yù)報，分別得到各個球鼻艏模型下的摩擦阻力系數(shù)、粘壓阻力系數(shù)、興波阻力系數(shù)、粘性阻力系數(shù)和總阻力系數(shù)。對球鼻艏各改型方案的總阻力系數(shù)進行分析比較，最終選擇最優(yōu)的方案進行模型制作和試驗驗證。

2　CFD計算結(jié)果

計算模型依托于9 200 TEU集裝箱船的各球鼻艏模型。采用SHIPFLOW進行船體網(wǎng)格劃分和阻力數(shù)值計算。計算得到的各方案阻力結(jié)果見表2～表6。各方案下船體周圍的波形圖見圖3～圖12。

圖2　9 200 TEU集裝箱船球鼻艏設(shè)計方案

參數(shù)方案I方案II方案III方案IV方案VAb/Am0.04920.04770.04120.04670.0399Abl/Al0.01190.01190.01190.01120.0109▽b/▽0.00250.00230.00220.00210.0019Bb/B0.14260.13950.12660.14330.1347Lb/Lbp0.03290.03290.03290.03290.0329Zb/D0.55640.55640.55640.53260.5080

表2　9 200 TEU集裝箱船改型方案I計算結(jié)果

表3　9 200 TEU集裝箱船改型方案II計算結(jié)果

表4　9 200 TEU集裝箱船改型方案III計算結(jié)果

表5　9 200 TEU集裝箱船改型方案IV計算結(jié)果

表6　9 200 TEU集裝箱船改型方案V計算結(jié)果

圖3　9 200 TEU集裝箱船改型方案I波形圖(Vs=22 kn)

圖4　9 200 TEU集裝箱船改型方案II波形圖(Vs=22 kn)

圖5　9 200 TEU集裝箱船改型方案III波形圖(Vs=22 kn)

圖6　9 200 TEU集裝箱船改型方案IV波形圖(Vs=22 kn)

圖7　9 200 TEU集裝箱船改型方案V波形圖(Vs=22 kn)

圖8　9 200 TEU集裝箱船改型方案I波形圖(Vs=18 kn)

圖9　9 200 TEU集裝箱船改型方案II波形圖(Vs=18 kn)

3　CFD計算結(jié)果分析

根據(jù)SHIPFLOW的數(shù)值計算結(jié)果，繪制數(shù)據(jù)分析圖(見圖13～圖17)。

由圖13可知，在船舶所有人要求的低航速區(qū)域14～18 kn內(nèi)，改型方案V的總阻力最小，說明從低速區(qū)域阻力最小的優(yōu)化角度來看改型方案V為最優(yōu)方案，同時也是最終被選擇進行模型試驗的方案。

圖10　9 200 TEU集裝箱船改型方案III波形圖(Vs=18 kn)

圖11　9 200 TEU集裝箱船改型方案IV波形圖(Vs=18 kn)

圖13　9 200 TEU集裝箱船各改型方案不同航速的總阻力對比

圖14　各改型方案航速為14 kn時的▽b/▽及總阻力對比

由圖14和圖15可知，在不同航速區(qū)域下各船型的阻力與球鼻艏的體積比有直接關(guān)系，一般球鼻艏越小，船舶在低速區(qū)域所受阻力就越小，而此時在高速區(qū)域所受阻力則較大。因此，必須根據(jù)船舶所有人的實際運營需求選取合適的航速區(qū)間，有針對性地優(yōu)化球鼻艏設(shè)計。

圖15　各改型方案航速為22 kn時的▽b/▽及總阻力對比

圖16　各型方案航速為14 kn時的Zb/D及總阻力對比

圖17　各改型方案航速為22 kn時的Zb/D及總阻力對比

由圖16和圖17可知，各船型在不同航速區(qū)域所受阻力與球鼻艏的相對浸深Zb/D有直接關(guān)系，一般相對浸深越小，在低速區(qū)域所受阻力就越小，而此時在高速區(qū)域所受阻力則較大。

同時，仔細分析上述各方案的阻力數(shù)據(jù)可知，各船型在不同航速區(qū)域所受阻力與橫剖面積參數(shù)、縱剖面積參數(shù)及寬度參數(shù)均有一定關(guān)系。一般各參數(shù)越小，對于低速段的阻力性能越好；各參數(shù)越大，對于高速段的阻力性能越好。

由上述各改型方案的CFD數(shù)值計算結(jié)果可知，船型的阻力性能與球鼻艏的特征參數(shù)(橫剖面積參數(shù)、縱剖面積參數(shù)、相對排水體積參數(shù)、寬度參數(shù)、長度參數(shù)及相對浸深等)有密切聯(lián)系。對于航速區(qū)域不同的船型，其球鼻艏也必須作相應(yīng)優(yōu)化。因此，在目前高速集裝箱船低速慢航的趨勢下，對于營運船舶所有人而言，改造球鼻艏是一種簡便可行的節(jié)約運營成本的方法。

4　模型試驗結(jié)果

根據(jù)上述CFD數(shù)值計算結(jié)果，選取其中最優(yōu)秀的球鼻艏設(shè)計(即改型方案V)，根據(jù)其線型重新制作船模，并在上海船舶運輸科學(xué)研究所進行該船設(shè)計吃水的阻力自航試驗。9 200 TEU集裝箱船改型方案V試驗參數(shù)見表7，試驗船模見圖18，試驗結(jié)果見表8，總阻力Rt計算值與試驗值對比見圖19。

表7　9 200 TEU集裝箱船改型方案V試驗參數(shù)

由圖19可知，阻力預(yù)報曲線均與試驗曲線發(fā)展趨勢保持一致，阻力值與試驗值的誤差約為5.2%，較好地反映了該船型在靜水中航行時的阻力性能。

圖18　9 200 TEU集裝箱船改型方案V試驗船模

V/knFnVm/(m/s)Rtm/NCtm/10-3Rnm/106Cfm/106Cr/10-3ΔCf/10-3140.1361.13923.3523.61138.98453.05660.5547-0.15160.1561.30129.9643.547810.26802.98630.5615-0.15180.1751.46437.4033.499111.55152.92620.5729-0.15200.1951.62745.9853.484612.83502.87400.6106-0.15220.2141.78956.5533.541614.11852.82800.7136-0.15

圖19　改型方案V總阻力Rt計算值與試驗值對比

5　結(jié)　語

應(yīng)用CFD數(shù)值計算方法對船舶阻力較為敏感的球鼻艏線型進行了分析對比，通過船舶快速性和流場特性預(yù)報比較了不同球鼻艏線型方案的阻力性能優(yōu)劣，使船舶設(shè)計中球鼻艏線型設(shè)計的快速響應(yīng)成為一種可能，為大型集裝箱船的球鼻艏快速設(shè)計提供一種可行的方法。

當(dāng)前運用CFD數(shù)值計算進行船舶阻力性能預(yù)報的結(jié)果與船模試驗的結(jié)果還有一定的差距，尚不能完全代替模型試驗來進行船舶阻力預(yù)報，但其變化規(guī)律是一致的，可用于指導(dǎo)船型優(yōu)化設(shè)計。對于CFD數(shù)值計算的預(yù)報結(jié)果，一般會通過模型試驗或?qū)嵈囼炦M行驗證，保證結(jié)果的可靠性。隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展、各種數(shù)值計算方法的精確度不斷提高以及數(shù)字水池技術(shù)的不斷完善，CFD數(shù)值計算預(yù)報技術(shù)將在船舶領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1]胡安康，尹遜濱，余建偉. 9 200 TEU集裝箱船設(shè)計特點[J]. 船舶工程，2013，35(22)：131-133.

[2]左德權(quán), 尹遜濱, 陳曉瑩. 13000TEU超大型集裝箱船總體性能設(shè)計[J]. 上海造船, 2009(3)：24-26.

[3]樓丹平. 7100TEU超大型集裝箱船開發(fā)[J]. 上海船舶運輸科學(xué)研究所學(xué)報, 2005，28(2):128-133.

[4]賀鴻章. 5100TEU集裝箱船的總體設(shè)計[J]. 江南集團技術(shù), 2007(02):9-17.

Design Optimization of Bulbous Bow for 9 200 TEU Container Vessel

YIN Xunbin

(CIMCOceanEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd，Shanghai, 201206,China)

5 bulbous bows of different type are developed for the 9 200 TEU container ship designed by CIMC Ocean Engineering Design & Research Institute Co., Ltd according to the specific requirements of the owner of the ship, CMA CGM. The CFD software SHIPFLOW is used for the calculation and prediction of thewave resistances and viscous resistances of these 5 bulbous bows respectively. The most suitable bulbous bow is suggested by the comprehensive design comparison, and the model test is carried out to verify the bulbous bow optimization and the resistance prediction given by CFD.

container vessel; design of bulbous bow; optimization; CFD calculation

2015-06-16

尹遜濱(1981—)，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程總體設(shè)計工作。

1674-5949(2016)01-008-08

U674.13+1

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