魏菲菲

（上海船舶研究設計院，上海201203）

30 000 m3LNG船線型設計與優(yōu)化

魏菲菲

（上海船舶研究設計院，上海201203）

以30 000 m3LNG船線型設計為背景，研究了2種推進型式，為該類采用吊艙式推進器船型的線型設計積累了經(jīng)驗。使用FRAMEWORK軟件和SHIPFLOW軟件對由母型船初始變換過來的單槳和雙吊艙線型進行阻力方面的優(yōu)化，并最后進行了船模試驗驗證，試驗結果顯示優(yōu)化后的線型性能指標優(yōu)良。

FRAMEWORK軟件；SHIPFLOW軟件；阻力優(yōu)化；船模試驗

Abstract:Based on the lines of a 30 000 m3LNG carrier，two propulsion types were researched，accumulating experience of lines design of ships with PODs.By means of FRAMEWORK and SHIPFLOW software，resistance performance of two different lines was optimized among which were the one transferred from parent ship with single screw and the other with POD.Both lines were proved by model tests，showing an outstanding performance after optimization.

Keywords:FRAMEWORK software；SHIPFLOW software；resistance optimization；model tests

0 前言

21世紀液化天然氣作為綠色能源已得到世界各國的重視，液化天然氣海上運輸船的開發(fā)與研究正如火如荼地進行，世界LNG船市場將十分興旺。未來五年，小型LNG接收站投資活躍，全球對小型LNG船（7 500～30 000 m3）的需求將穩(wěn)步增長。預測到2020年，全球市場年均LNG新造船訂單為40～50艘，30 000 m3LNG船就是在這樣的背景下設計建造的。

1 主要船型參數(shù)

文中所述的船型為裝載量30 000 m3的LNG船。其主要參數(shù)如下：

2 線型設計與優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)單槳型式

由上述主要船型參數(shù)可以看出該船的特點是長寬比Lpp/B尚可，淺吃水即寬度吃水比B/T很大，傅氏數(shù)Fn類似于多用途船。鑒于以上特點，選取船型數(shù)據(jù)庫中1艘載重量在30 000噸級的多用途船作為母型船，變換得到初步線型方案。

將初步線型使用 CFD軟件SHIPFLOW［1］和優(yōu)化軟件 FRAMEWORK［2］進行線型優(yōu)化。

優(yōu)化線型與變換的初始線型相比，首部在17站之前大幅收瘦，最大收幅達到800 mm左右，從16站之后增大橫剖面寬度，最大增幅大約300 mm。同時顯著降低球首高度，由初始的8.690 m降至7.358 m，球首長度增長0.116～5.200 m，球首最大寬度與半寬的比值由0.1443變?yōu)?.1348，寬度稍有減小。尾部尾封板距基線的高度下降1.274 m，尾封板附近區(qū)域排水量大幅下移，即將排水量增大到尾部外側。與初始線型相比，尾部的水線加寬了不少。綜合首尾修改來看，浮心位置顯著后移，由舯前2.464%Lpp變?yōu)?.745%Lpp。

優(yōu)化前后的波形比較見圖1～圖4。

圖1 優(yōu)化線型（上）與初始線型（下）SHIPFLOW計算自由表面波形比較1

圖2 優(yōu)化線型（淺色）與初始線型（深色）船體表面波高比較2

圖3 優(yōu)化線型（淺色）與初始線型（深色）船體表面波高比較3

圖4 優(yōu)化線型（上）與初始線型（下）表面壓力分布

從圖1～圖4可以看出，優(yōu)化后的線型無論在波形上還是表面壓力分布的均勻上都有了顯著改善，計算得到的數(shù)值結果也充分驗證了這一點。表征興波阻力系數(shù)的Cw（由船體表面壓力積分計算獲得）由 0.845 6×10-3下降至 0.596 0×10-3，Cwtwc（由尾后截面積分計算獲得）由0.402 2×10-3下降至0.173 7×10-3，黏壓阻力系數(shù) Cpv由 0.719 7×10-3下降至 0.551 0×10-3，摩擦阻力因數(shù)基本不變。從槳盤面伴流分布的均勻程度來看，均勻度有所提高，高伴流區(qū)域處的渦流減弱（見圖5），說明優(yōu)化后的線型更有利于設計槳取得較高的推進效率。

圖5 初始線型（左）與優(yōu)化線型（右）槳盤面處伴流分布

優(yōu)化后的線型在上海船舶運輸科學研究所的拖曳水池中進行了備用槳船模試驗，船模縮尺比25.9524，船模垂線間長6.743 1 m，槳模直徑210 mm。該試驗尺度的選擇對取得較為精確的數(shù)據(jù)和做出比較可靠的航速預報是有利的。

試驗結果大大超出了目標航速16.5 kn，達到17.01 kn（見圖6），證明優(yōu)化的線型性能非常優(yōu)秀。

圖6 設計吃水下預報的vs-Pd曲線

2.2 雙吊艙推進型式

該船采用C型雙葉罐壓力艙（bi-lobe）作為貨物圍護系統(tǒng)。出于破艙穩(wěn)性的要求考慮，采用4個罐子的設計，且上層建筑安排在船尾，重心比較靠后，因此已試驗的單槳船線型由于浮心位置太靠前，為舯前1.745%Lpp，浮態(tài)穩(wěn)性較差，加之LNG船通常寬吃水比B/T比較大，吃水很淺，為兼顧滿足操縱性優(yōu)良等的要求，在傳統(tǒng)單槳型式線型達到并超過目標航速的情況下，嘗試設計尾部適用雙吊艙推進型式的線型［3］。

由于可供使用參考的吊艙推進船型很有限，難以找到尺度相近的母型船，選用了1艘方形系數(shù)相對較小的輪渡做為母型船。在主機選取時又根據(jù)單槳型式的線型模型試驗結果，降低了主機功率。這使得本次線型的設計難度陡增。對于變換后得到的初步線型，借助CFD工具和FRAMEWORK優(yōu)化工具進行阻力方面的優(yōu)化。

優(yōu)化線型與變換的初始線型相比，整個首部都收瘦了，縱向方向16站之前收幅較大，垂向方向，滿載水線附近收幅最大，最大收幅約1 800 mm，以下依次減小。初始線型的橫剖面呈現(xiàn)“V”型特征，優(yōu)化后的線型則呈現(xiàn)略“U”型。同時顯著降低球首高度，由初始的7.720 m降至6.980 m，球首長度縮短0.205～5.198 m，球首最大寬度與半寬的比值由0.142 0變?yōu)?.140 3，寬度稍有減小。尾部尾封板距基線的高度保持與初始線型一致，尾封板距AP的距離根據(jù)總長的限制，縮短了1.114 m。綜合首尾修改來看，浮心位置顯著后移，由舯前0.418%Lpp變?yōu)轸焙?0.338%Lpp。

優(yōu)化前后的波形比較見圖7～圖10。

圖7 優(yōu)化線型（上）與初始線型（下）SHIPFLOW計算自由表面波形比較1

圖8 優(yōu)化線型（淺色）與初始線型（深色）船體表面波高比較2

圖9 優(yōu)化線型（淺色）與初始線型（深色）船體表面波高比較3

圖10 優(yōu)化線型（上）與初始線型（下）表面壓力分布

從圖7～圖10可以看出，優(yōu)化后的線型由于浮心位置Lcb較初始線型后移，導致船體兩側波形得到較大改善，但船尾后方波形較初始線型惡劣。對比初始線型和優(yōu)化線型的SHIPFLOW計算數(shù)據(jù)：表征興波阻力系數(shù)的Cw（由船體表面壓力積分計算獲得）由 0.403 0×10-3下降至 0.240 1×10-3，而 Cwtwc（由尾后截面積分計算獲得）由0.473 3×10-3上升至0.593 6×10-3，黏壓阻力系數(shù) Cpv由 0.717 7×10-3下降至 0.588 1×10-3，摩擦阻力因數(shù) Cf卻由 2.751×10-3上升至 2.819×10-3， 總阻力系數(shù) Ct若用 Cw計算，由3.872×10-3下降至 3.647×10-3，若用 Cwtwc計算，則由3.942×10-3上升至4.001×10-3。由此也可以看出浮心位置后移，改善了首部及船體兩側波形，但對船尾波形有不利影響。

從尾部伴流分布的均勻程度來看，優(yōu)化后的線型較之前略有劣勢，見圖11。但由于使用吊艙推進型式，槳前方來流較之單槳線型順暢，且雙槳激振力通常比單槳要小，因此初步認為對槳的設計影響不大。

優(yōu)化后的線型在荷蘭的MARIN水池進行了阻力及自航試驗。備用槳采用2種不同廠商的吊艙推進模型進行試驗，型號分別為AZPOD1400和AZP150，如圖12所示。

圖 12 AZPOD1400（左）與 AZP150（右）備用槳模型

試驗結果證明采用2種吊艙推進型式均達到了16.5 kn的航速指標，見圖13。在設計航速16.5 kn時，雖然AZP150型吊艙推進模型比AZPOD1400型推進效率高出2.66%，但其轉速比AZPOD1400型低10 r，并且軸系損失為5%（該數(shù)據(jù)由廠商提供），而AZPOD1400型僅為0.5%（該數(shù)據(jù)由廠商提供），所以最終結果AZPOD1400型吊艙推進型式航速高。不過因為其他方面原因，船東最后選擇了AZP150型吊艙推進器。

圖 13 AZPOD1400（左）與 AZP150（右）吊艙形式 vs-Pd曲線

優(yōu)化后的線型在MARIN的數(shù)據(jù)庫相似船型中達到了VERY GOOD，水池對于伴流的評價也是GOOD，并且浮心位置為舯后0.331%Lpp，很好地滿足了總體布置的需要。具體見圖14～圖15，圖14為海軍系數(shù)比較，該系數(shù)越大性能越好。

圖14 海軍系數(shù)比較（實心大圈為該船，空心小圈為MARIN數(shù)據(jù)庫船型）

圖15 MARIN水池對該船線型的評價

3 結語

通過設計和試驗驗證該型LNG船單槳線型與雙槳線型，盡管2次試驗水池有所不同，但依然可以發(fā)現(xiàn)，無論是表征阻力性能的Fn-Cr曲線還是推進效率ηD的數(shù)據(jù)比較，均顯示單槳線型在性能上的優(yōu)勢，單槳線型仍然是性能方面的首選，見圖16和表1。但在實船設計中應充分考慮多方因素，例如長寬比Lpp/B較短、吃水T較淺、浮心位置Lcb受限、總體布置及穩(wěn)性、操縱性（主要是航向穩(wěn)定性）等限制，以最終確定船舶的推進方案。

圖16 單槳線型與雙槳線型剩余阻力性能比較

30 000 m3LNG船是上海船舶研究設計院（SDARI）自主開發(fā)的LNG船型，通過主尺度論證選定，線型優(yōu)化設計，試驗結果分析比較，證明優(yōu)化后的線型阻力、推進性能均較優(yōu)，其快速性能達到國際先進水平，豐富了SDARI的數(shù)據(jù)庫，并為將來吊艙推進線型的設計提供了參考。

［1］FLOWTECH 公司.SHIPFLOW 4.6 User manual［G］.2011.

［2］FRIENDSHIP SYSTEMS 公 司 .FRIENDSHIP-Framework User Guide［G］.2012.

［3］陳可越.船舶實用設計手冊——總體分冊［M］.北京：中國交通科技出版社，2007.

Design and Optimization of Lines of a 30 000 m3LNG Carrier

WEI Fei-fei

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

U674.13+3

A

1001-4624（2017）01-0014-06

2017-03-06；

2017-06-10

魏菲菲（1982—），女，高級工程師，長期從事船舶線型設計工作。