川江及三峡库区化学品标准船设计＊

廖国红，刘一平，董元胜

（1.华中科技大学 交通科学与工程学院，武汉430074；2.武汉理工大学 交通学院，武汉430063；3.三峡大学 土木水电学院，湖北 宜昌443000）

举世瞩目的长江三峡工程，将使川江和三峡库区航运条件和通航环境发生重大变化，以川江为例，其航运能力将由现在的1 100万t／年提高到5 000万t／年［1］。

与此同时，川江和库区化学品运输市场也在稳步扩大，而作为川江和三峡库区化学品主要运输工具的化学品船的状况却不容乐观。现有的船舶基本上仍是按照急流航段的特征进行设计建造的，不能满足未来化学品品种多样化的需求。

1 主要问题

纵观川江及三峡库区化学品船的现状，主要存在以下问题［2］。

1）大部分船舶载量偏小，船型杂乱，严重影响了长江航道、船闸等通航设施通过能力的发挥，不利于大坝闸室过坝的调度和过坝能力的提高。

2）就1 000t以上的化学品自航船而言，其技术性能与规范化的化学品船相比，还有许多令人担忧之处，充其量技术性能只能达到油船的要求，如结构形式、液货舱的防腐特涂、洗舱设备与过程、防污染设备等。

3）经济效益没有得到充分发挥。船型未进行科学的技术经济论证和实验，大多根据业主的经验和短期的收益来规划，盲目向大吨位发展，甚至建造出6 000t的化学品船，航道及过坝将受到影响，经济效益并不乐观，化学品船装运化学品不多，大多数作为油船使用。

4）化学品船采取集中过坝的方式，由于该种船舶目前较少，等待过坝时间较长，通常在7天以上。

因此，迫切需要根据航道和运输市场等客观条件的变化，设计开发出适合三峡成库后航道特点，安全、环保、经济、美观、实用的化学品标准船型。

2 标准船型概况

根据川江及库区当前化学品运输的现状和航道情况，考虑未来5～10年的发展，经过广泛深入的调研、船模实验、技术经济论证和设计优化，推荐川江及三峡库区化学品船标准船型的最佳吨位为：满载吃水时，载货1 000t级、2 000t级；结构吃水时，载货1 500t级、2 500t级的两种船型作为川江及三峡库区化学品运输的主力船型主尺度及要素见表1。

表1 化学品船主尺度及要素

两种型号的化学品船均取船型优化后的优化船型，1 000t化学品船为U型首，对称型梨形双尾；2 000t化学品船为U型首，不对称型预旋流双尾。在设计过程中，特别注意了两轴间距的选取，两型化学品船两轴间距均超过53%船宽。既有利于增大转舵力矩，又可减少两桨间的干扰，增大推进效率。

两型化学品船均为钢质、单甲板、混合骨架式全电焊结构、双底、双壳、双尾、倾斜首、双桨、双舵、柴油机驱动的化学品船。双底高度为800mm，双壳间距为1 000mm。全船分为8个液货舱，首、尾在清水舱和机舱与液货舱之间设隔离空舱，液货舱与江水、机舱、水舱、居住区隔离。机舱内设置了专用的泵舱、集控室。主甲板为工作区，设置了专用的泵舱控制间、泡沫舱、CO2间、防护用品间等化学品船专用舱室。上二层甲板为船员生活区和驾驶室。所有舱室面对货舱区的门窗及周边门窗采用气密。垂向通道采用两套梯道，其中一套为内部全封闭通道。货舱区设三道横跨液货管道过桥，四周布置栏杆与两舷走道分隔开。

设计船可长年航行于重庆至上海航线，适航于长江 A、B、C级航区J2级航段。航速为18km／h，续航力为2 500km。主要承运甲醇、乙醇、丁醇、醋酸、醋酸丁脂、醋酸乙烯等污染级别为C、D的化学品。

3 关键设计技术

20世纪60年代研究开发的双尾船型经过几十年的发展，已成为长江运输的主力船型，并在其它内河水系广泛应用，取得了显著的经济效益和节能效果，受到了用户的一致好评。但总体说来，双尾技术对方形系数比较小的内河客货船而言是比较成熟的技术，而对浅吃水、宽吃水比及较大方形系数，尤其是方形系数在0.8以上的肥大型低速货运船舶，到目前为止，其型线形状、水动力性能等还未见到较为系统的研究成果。虽有实船航行，但基本上是借用或移植小方形系数双尾船型的理论和特性，还有很多方面需要进一步的研究。

在化学品标准船型型线的研究开发中，采用了实践、理论和模型试验相结合的研究方法，利用船体型线生成交互设计与计算流体力学理论CFD综合技术，借助船模试验，优化川江和三峡库区两种化学品船舶线型。

3.1 船体型线生成交互设计

应用计算机交互设计功能和可视化功能，型线设计的可分性和组合性原理，利用已有的双尾船型数据库和专家系统成果，进行参数化分步形变设计，在分析国内外较先进的内河船型基础上，对双尾进行多种形状、不同浮心位置、不同方形系数等变换的设计比较，配以水动力计算，得出初步型线。图1为变换中产生的图形。

图1 2 000t化学品标准型初步型线

所产生的初步型线经过CFD的理论计算分析和模型试验，只需输入几个主要参数，就可生成修改后的更为优秀的新的型线。

3.2 CFD计算与试验相结合的船型优化设计

应用CFD对船舶性能进行理论计算和性能预报技术，是当前国际船舶学术界研究的前沿和热点，在标准船型性能的研究中，充分发挥现代水动力计算技术与CFD综合技术，对计算机交互设计生成的各种型线方案进行理论研究，采用基于势流理论的Rankine源方法对船体周围流场进行计算分析。

CFD技术对于海船船型的研究已取得可喜成果，然而对于内河双尾如此复杂船型的研究还鲜为人知，流态的描述、船型的模拟等都有很大的难度。

3.3 阻力性能

从船型角度研究阻力主要考虑船型参数，根据化学品船的特点，考虑了浮心位置、首尾形状、首尾半体排水体积分配等阻力影响因素。对尖首和水滴型对称双尾、尖首和不对称双尾、不同浮心位置的船型进行了理论研究和模型试验，采用势流理论和遗传算法，对船舶兴波问题进行直接数值计算。以2 000t标准船型（浮心位置中前1%Lpp）为例，结果见图2。

图2 阻力曲线比较

结果表明，理论计算与试验数据在航速20 km／h之内是非常接近的，符合标准船型的要求，计算结果是可信的。

3.4 推进性能

从推进性能而言，双尾船型主要是改善了船舶尾部伴流。为提高效率，从对称双尾又发展到不对称预旋流双尾。对与大方形系数的肥大型船舶相当类似的长江标准船型来说，其效果如何，值得研究。

不对称尾的设计目的，除使桨盘来流均匀，减少船尾振动外，另一个方面就是获得与螺旋桨旋向相反的有利预旋流。这里主要对桨盘处周向势伴流进行计算与分析。桨盘面处平均周向伴流为：

对设计的对称双尾线型尾部进行形变分析，形变函数为w＝f（θ，z，x）。尾部经形变函数变换后保持船舶排水体积不变。图3为计算所得T-θ关系曲线图。

图3 关系曲线图（左）和尾部周向流场分布（右）

从图3可以看出，从势伴流角度看，总体说来随着倾斜角度的增加，预旋流更有利。

通过以上计算分析，由于受到诸多限制，对所计算的大方形系数肥大船型，采用不对称双尾线型能在一定程度利用其尾部周向预旋流，但想通过将双尾线型设计成不对称形式来达到较大幅度提高推进性能还须进行深入研究。

4 结果分析

1）船舶付氏数Fn不超过0.2（2 000t船对应实船航速不超过20km／h左右）时，船舶总阻力的数字预报值与试验预报值拟合的比较好。船体伴流场计算原理与方法的模型对于长江化学品船标准船型是成功的，计算结果与模型试验数据是吻合的，其结论是可信的。

2）不对称尾与对称尾在性能上基本相当，不对称尾在推进效率上有所增加，其性能还须进行深入系列研究。

3）船舶浮心位置在船中前后0.5 Lpp范围内，可兼顾阻力和推进因子，具有较好的综合性能。

经过设计优化后得到的2 000t化学品船标准船型见图4。

图4 2 000t化学品标准船型总布置图

5 结束语

由武汉理工大学交通学院和中国长江航运总公司合作进行的西部交通建设科技项目“川江及三峡库区化学品船标准船型研究”已经顺利完成。近两年来的使用效果表明，标准船型的推广和使用对提高三峡船闸的通过能力、保障船舶航行安全、减少船舶污染、保护库区环境和通航设施安全都起到了积极的推动作用，其良好的经济性也受到船东的一致好评。

在项目研究的过程中，得到了许多兄弟单位和航运公司的大力支持，在此一并表示感谢。同时希望项目的实施和研究成果的推广对提高三峡工程建设综合效益，促进长江航运事业的发展有所裨益。

［1］董元胜.川江及三峡库区化学品船标准船型研究报告［R］.武汉：武汉理工大学，2004.

［2］唐冠军，赵洪祥.推进长江干线船型标准化的策略［J］.综合运输，2004（12）：36-39.