一种无压载水船船型与阻力性能优化

汪 敏，吴静萍

(武汉理工大学 交通学院，武汉430063)

船舶压载水的污染控制已经成为国际航远刻不容缓的议题。解决压载水污染问题的根本办法就是开发无压载水船(ballast free Ship，BFS)船型，改变传统船舶需要加载压载水来调整浮态的需求，从而根本解决因携带外来生物的压载水四处排放给海域带来生态环境危害的问题。压舱水处理存在种种问题，使得设计制造无压载水舶舶，从根本上消除船舶压载水跨越海洋运输而造成的污染，显得极其重要。本文借鉴荷兰单一船身形式，结合双尾鳍船型，以某一35 000 DWT散货船为母型船，对其进行无压载水船型开发，根据数值模拟计算结果，对船型进行阻力性能优化，为开发无压载水船型提供必要的研究基础。

1 荷兰无压载水船舶单一船身船型

目前，日本、美国和荷兰均开展了对无压载水船舶的研究与开发［1-2］。其中，荷兰采用单一结构船身(monomaran hull)的设计方案，其船底从货舱区域就开始设置一个向后开放的内凹，形状犹如一只倒置的前封后开的拖鞋。这种船型可以促使船舶轻载时产生较大的水尺;但是这种设计方案的缺点是与传统船型相比，其船身湿面积大幅度扩大，通过船底两侧向下排放发动机废气所产生的空气润滑作用，使得这一不足之处可以降到最低限度;还可让废气中的二氧化碳、一氧化碳、各种颗粒污染物和硫化物溶解在海水中，从而减少船舶对空气和港口环境所造成的威胁。目前这种单一结构船身型船舶已经在荷兰代尔夫特大学试造成功，其载重量为4 000 t，船速为14 kn，没有压水舱，从试航检测来看，基本上达到所谓真正无压舱水船舶的标准。

2 无压载水船船型开发

2.1 无压载水船线型建立方法

传统船舶设置压载水舱是为了船舶在空载的情况下，利用压载水，使得空船有足够的吃水，保证螺旋桨的一定浸深，这样才能保证螺旋桨的效率。因此，所提出的无压载水船型，首先要解决的问题就是如何在无压载的情况下，保证螺旋桨在水线以下。解决这个问题的根本就是减少船体空载水线以下的排水体积以及采用小螺旋桨直径。这样在非满载时，相对满载吃水，船舶吃水的变化不会很大，而且保证螺旋桨有一定的浸深。通过加大船长、船宽和型深来补偿所减小的水下排水体积。

本船型遵循以上原则，以武汉理工大学华东船舶设计研究院自主研发的35 000 DWT级散货船为母型船，借鉴荷兰代尔夫特大学的单一结构船身设计方案并结合双尾鳍进行型线设计。

设计船型线的设计基于设计水线下母型船的横剖面面积曲线基本不变的前提进行，对母型船的底部型线进行倒“凹”形修改，适当减少空载水线下的排水体积，同时增大船宽，变换后设计船的横剖面面积曲线和母型船基本保持一致。

如图1所示，为保证排水量不变，对于设计船的船中横剖面面积，其内凹面积A，即所减少面积，应等于增加船宽后的补偿面积B。

图1 无压载水船线型改造方法

先利用Napa软件建立母型船船型的三维模型，然后在母型船模型的基础上进行无压载水船型改造。

2.2 无压载水船船型参数的确定

2.2.1 船型应满足的规范要求

1)尺度比要求。本船型应满足《钢质海船入级规范》中对尺度比的要求，即

2)浮态要求。本船应满足MARPOL中对浮态的规定要求，即

艏部最小吃水≥2.00+0.02 L;

纵倾值≤0.015 L;

螺旋桨浸深≥100%。

将以上要求作为船型改造中船型参数的边界条件。由于区域A的面积过大，会造成设计船的湿表面面积大幅度增加，从而使船舶阻力增大较多，综合考虑双尾鳍型线的光顺和艉部纵向水流的顺畅，取设计船的船宽为30 m，船底内凹高度H为1.5 m。

2.2.2 船舶艏部型线的特征

为了保证螺旋桨的浸深，设计船在空载工况下，有一定的艉倾很有好处。因此，设计船的艏部型线水下部分较母型船肥大。这样处理是为了使船舶的浮心前移，从而产生足够的艉倾力矩，保证螺旋桨的沉深。

2.2.3 船舶双尾鳍型线

设计船艉部采用双尾鳍线型，阻力性能好、推进效率高、船体振动小和操纵性好，同时由于双尾鳍船型采用双机、双桨、双舵，从而不仅使得螺旋桨的直径大大减小，降低了其沉深高度，而且艉下沉和浅水阻力也较小，这是本设计船采用双尾鳍线型的主要原因之一。

根据文献［3］，确定双尾鳍设计的主要参数:艉轴高度、底切点位置及艉轴间距，进行多次光顺与修改，最终确定新的无压载水船船型。横剖线图见图2，设计船与母型船的参数对比见表1。

图2 无压载水船横剖线图

表1 设计船与母型船各参数对比

3 Fluent优化船舶阻力性能

为了改进本船的阻力性能，首先通过数值模拟计算分析船体周围流动，然后对船体进行改进。本船粘性数值模拟是应用商业CFD软件FLUENT，研究粘性模式的选取对模拟船体表面流动分离的影响，探讨船型改进前后，船艏、船舯凹入部分和船艉这三处的流线分布和船舶总的粘性阻力比较。

3.1 数值计算方法

计算船舶粘性阻力问题假设远前方均匀来流流过重叠的船模，来流水是粘性不可压缩的;又由于船体左右对称，在新的船型设计初级阶段，可取重叠模的1/4，即半个船体为计算模型。边界条件设置为:入口边界为均匀速度入口，出口边界设为压强出口，船体表面设置为不可滑移的壁面条件，计算域的其它的外边界面设置均设为对称面。

为了较好模拟船体周围流场的流动分离等漩涡流动现象，采用非定常的大涡模拟的数值方法解该船舶的定常绕流问题。离散格式选用SIMPLC离散压力修正方程，其它均为二阶迎风格式。涉及湍流度的参数选择(或计算)在中强度范围的数值，收敛标准的值取1×10-5，其它参数为软件自定义的数值据。

3.2 数值计算结果及分析

1)船艏型线优化。图3显示了改型前后船艏部流线示意图。从图3a)可以看出，从球鼻艏流向船底的流线，没有全部顺沿船体表面凹进去的形状走，有部分直接从船体分离了，势必会在此引起漩涡，这显示船体表面流动不顺畅，此处外形需要修改。从图3b)可以看出，经过修改后流线得到明显改善。

图3 艏部流线

2)船舯型线。船艏底部在船舯凹处部分向船后逐渐加宽，图4给出了改型前后此附近的流线。从图中可见，流线有从船舯向船侧的走向，这会导致船底产生横向涡。修改后，这部分的流动有一定改善，但有必要做进一步的型线优化。

图4 船舯内凹处在中纵剖线附近的流线

3)船艉型线。在船艉，船体中纵剖线从基线抬升。对于双艉鳍船，在隧道处，抬升过快必会造成严重的流动分离，产生漩涡，增加阻力。图5给出了改型前后尾部靠近中纵剖面隧道附近的流线。从图中可见，改型后，流线旋转减缓，此处流动分离有改善，但还需进一步修改。

图5 船艉流线

4)总阻力系数。表2给出的是改型前后两条船的总阻力系数Cr的变化。由表2可见，改型后的船舶粘性总阻力系数减小了。改型后船舶的阻力性能得到了一定程度的改善。

表2 改型前后粘性总阻力系数比较

式中:R——总阻力;

ρ——水的密度;

s——船体湿表面积，改型前为0.397 m2，改型后为0.401 m2。

本船应用FLUENT软件模拟绕船体的粘压流动，通过流线显示辅助改进了船体外形，改善了船体的阻力性能［4］。

4 结论

1)本船型能有效降低螺旋桨直径，减少空载水线以下的排水体积，湿表面积增加较多，从船中就开始的尾鳍，使得货舱容积减少较多。

2)通过数值模拟计算分析船体周围流动，发现在船中尾鳍开始处，流线有从船中向船侧的走向，这会导致船底产生横向涡，因此该处是船型修改与优化的重点。

3)本文仅进行了初步研究，后续如:耐波性分析、结构设计与强度计算、稳性包括破舱稳性的校核、船型的模型实验研究等，还有很多研究工作要做。

［1］KOTINIS M D.Development and investigation of the Ballast-free Ship concept［D］.University of Michigan.2005.

［2］薛连胜.无压载水船舶［J］.船舶与设备，2007(6):22-23.

［3］张大有，朱涛.双尾鳍船型研究与发展分析.船舶工程［J］，2006(6):58-61.

［4］徐 峰，汪 敏，刘家新.灵便型无压载水舱散货船船型开发与研究［J］.船海工程，2012(1):22-24.