9 200 TEU集装箱船球鼻艏的设计优化

尹逊滨

(中集船舶海洋工程设计研究院有限公司，上海 201206)



9 200 TEU集装箱船球鼻艏的设计优化

尹逊滨

(中集船舶海洋工程设计研究院有限公司，上海 201206)

以中集船舶海洋工程设计研究院有限公司设计研发的9 200 TEU集装箱船为依托，结合船舶所有人的具体需求，设计研发5个改型球鼻艏。利用SHIPFLOW软件分别对5种改型方案进行兴波阻力、粘性阻力计算和预报。通过多方案比较确定最优的球鼻艏模型，并进行船模试验。试验验证了采用CFD软件进行阻力预报，进而完成球鼻艏改型优化设计的可行性。

集装箱船；球鼻艏设计；优化；CFD计算

0　引　言

2008年全球金融危机爆发之后，受国际贸易量不断下降、国际燃油价格大幅上扬的影响，国际航运业，特别是集装箱船运输业遭受到了巨大的冲击。目前金融危机带来的深层次影响仍在不断出现，导致国际航运业与全球经济一样仍在低谷徘徊。全球经济疲软、我国经济增长放缓以及运营成本不断上涨的状况使得国际航运市场供求失衡、运力过剩的矛盾一直没有得到解决，各大航运企业的业绩连年报亏[1]。

为应对新的国际航运形势，各大航运企业都在不停地寻找方法提高经营利润。由于船舶主机的功率与船舶航速的三次方成正比[2]，而主机油耗又与主机功率成正比，因此降低船舶航速是最直接有效的控制燃油成本的方式，很多航运公司都采取该项措施来降低燃油成本，且取得了巨大的经济收益。现役集装箱船的初始设计服务航速较高，一般约在23～25 kn，较高的设计航速已不适应当前慢航的趋势，原来针对高航速设计的球鼻艏，也需要随着航速的减慢而得到相应地修改。为适应集装箱船低速航行的趋势，必须对原有球鼻艏进行改造，有效化解船舶低速航行时的兴波阻力，从而达到节省燃油、降低成本的目的[3]。

1　新球鼻艏的设计方案

原9 200 TEU集装箱船鼻艏采用SV型球，可以兼顾设计吃水和结构吃水下的阻力性能。其艉部线型设计为球尾，从而使螺旋桨盘面处流场得以改善，提高了船舶的推进效率；其前后体横剖面均略呈V型，最大横剖面曲线位于第9站附近。9 200 TEU集装箱船初始的设计航速为22 kn，但根据船舶所有人反馈，其实际运营的主要航速为14～18 kn，因此原设计的球鼻艏已不能满足要求，需针对该船的主要航速区间进行重新优化设计。

一般用来表示球鼻艏形状和大小的特征参数主要有横剖面积参数、纵剖面积参数、相对排水体积参数、宽度参数、长度参数和相对浸深等。这些几何参数基本表示了球鼻艏的形状特征，研究球鼻艏对船体阻力的影响主要是研究这些几何参数变化对阻力的影响[4]。图1为球鼻艏几何参数示意图。

图1　球鼻艏几何参数示意图

1) 横剖面积参数Ab/Am：Ab为首柱处球鼻艏横剖面面积；Am为船中横剖面面积；Ab/Am反映球鼻艏的幅值条件。

2) 纵剖面积参数Abl/Al：Abl为首柱处球鼻艏纵剖面面积；Al为船中纵剖面面积；Abl/Al反映球鼻艏的幅值条件。

3) 相对排水体积参数▽b/▽：▽b为球鼻艏增加的排水体积；▽为船体排水体积；▽b/▽反映球鼻艏的幅值条件。

4) 宽度参数Bb/B：Bb为首柱处球鼻艏横剖面的最大宽度；B为船宽；Bb/B反映球鼻艏的幅值条件。

5) 长度参数Lb/Lbp：Lb为球鼻艏最前端至首柱的距离；Lbp为船的两柱间长；Lb/Lbp描述了球鼻艏的前伸程度，反映球鼻艏的相位条件。

6) 相对浸深Zb/D：Zb为球鼻艏中心或球鼻艏最前点或最大宽度处与静水面间的距离；D为船的吃水；Zb/D对相位、幅值都有影响，但主要是后者。

以球鼻艏几何特征中的横剖面积参数、纵剖面积参数、相对排水体积参数、宽度参数、长度参数和相对浸深等参数为自变量，结合球鼻艏的基本设计原则，在各自的取值范围内分别选取参数并结合船舶所有人意见，针对低航速段的性能设计5种类型球鼻艏，新球鼻艏的设计方案见图2。采用SHIPFLOW进行船舶阻力预报，分别得到各个球鼻艏模型下的摩擦阻力系数、粘压阻力系数、兴波阻力系数、粘性阻力系数和总阻力系数。对球鼻艏各改型方案的总阻力系数进行分析比较，最终选择最优的方案进行模型制作和试验验证。

2　CFD计算结果

计算模型依托于9 200 TEU集装箱船的各球鼻艏模型。采用SHIPFLOW进行船体网格划分和阻力数值计算。计算得到的各方案阻力结果见表2～表6。各方案下船体周围的波形图见图3～图12。

图2　9 200 TEU集装箱船球鼻艏设计方案

参数方案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集装箱船改型方案I计算结果

表3　9 200 TEU集装箱船改型方案II计算结果

表4　9 200 TEU集装箱船改型方案III计算结果

表5　9 200 TEU集装箱船改型方案IV计算结果

表6　9 200 TEU集装箱船改型方案V计算结果

图3　9 200 TEU集装箱船改型方案I波形图(Vs=22 kn)

图4　9 200 TEU集装箱船改型方案II波形图(Vs=22 kn)

图5　9 200 TEU集装箱船改型方案III波形图(Vs=22 kn)

图6　9 200 TEU集装箱船改型方案IV波形图(Vs=22 kn)

图7　9 200 TEU集装箱船改型方案V波形图(Vs=22 kn)

图8　9 200 TEU集装箱船改型方案I波形图(Vs=18 kn)

图9　9 200 TEU集装箱船改型方案II波形图(Vs=18 kn)

3　CFD计算结果分析

根据SHIPFLOW的数值计算结果，绘制数据分析图(见图13～图17)。

由图13可知，在船舶所有人要求的低航速区域14～18 kn内，改型方案V的总阻力最小，说明从低速区域阻力最小的优化角度来看改型方案V为最优方案，同时也是最终被选择进行模型试验的方案。

图10　9 200 TEU集装箱船改型方案III波形图(Vs=18 kn)

图11　9 200 TEU集装箱船改型方案IV波形图(Vs=18 kn)

图13　9 200 TEU集装箱船各改型方案不同航速的总阻力对比

图14　各改型方案航速为14 kn时的▽b/▽及总阻力对比

由图14和图15可知，在不同航速区域下各船型的阻力与球鼻艏的体积比有直接关系，一般球鼻艏越小，船舶在低速区域所受阻力就越小，而此时在高速区域所受阻力则较大。因此，必须根据船舶所有人的实际运营需求选取合适的航速区间，有针对性地优化球鼻艏设计。

图15　各改型方案航速为22 kn时的▽b/▽及总阻力对比

图16　各型方案航速为14 kn时的Zb/D及总阻力对比

图17　各改型方案航速为22 kn时的Zb/D及总阻力对比

由图16和图17可知，各船型在不同航速区域所受阻力与球鼻艏的相对浸深Zb/D有直接关系，一般相对浸深越小，在低速区域所受阻力就越小，而此时在高速区域所受阻力则较大。

同时，仔细分析上述各方案的阻力数据可知，各船型在不同航速区域所受阻力与横剖面积参数、纵剖面积参数及宽度参数均有一定关系。一般各参数越小，对于低速段的阻力性能越好；各参数越大，对于高速段的阻力性能越好。

由上述各改型方案的CFD数值计算结果可知，船型的阻力性能与球鼻艏的特征参数(横剖面积参数、纵剖面积参数、相对排水体积参数、宽度参数、长度参数及相对浸深等)有密切联系。对于航速区域不同的船型，其球鼻艏也必须作相应优化。因此，在目前高速集装箱船低速慢航的趋势下，对于营运船舶所有人而言，改造球鼻艏是一种简便可行的节约运营成本的方法。

4　模型试验结果

根据上述CFD数值计算结果，选取其中最优秀的球鼻艏设计(即改型方案V)，根据其线型重新制作船模，并在上海船舶运输科学研究所进行该船设计吃水的阻力自航试验。9 200 TEU集装箱船改型方案V试验参数见表7，试验船模见图18，试验结果见表8，总阻力Rt计算值与试验值对比见图19。

表7　9 200 TEU集装箱船改型方案V试验参数

由图19可知，阻力预报曲线均与试验曲线发展趋势保持一致，阻力值与试验值的误差约为5.2%，较好地反映了该船型在静水中航行时的阻力性能。

图18　9 200 TEU集装箱船改型方案V试验船模

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

图19　改型方案V总阻力Rt计算值与试验值对比

5　结　语

应用CFD数值计算方法对船舶阻力较为敏感的球鼻艏线型进行了分析对比，通过船舶快速性和流场特性预报比较了不同球鼻艏线型方案的阻力性能优劣，使船舶设计中球鼻艏线型设计的快速响应成为一种可能，为大型集装箱船的球鼻艏快速设计提供一种可行的方法。

当前运用CFD数值计算进行船舶阻力性能预报的结果与船模试验的结果还有一定的差距，尚不能完全代替模型试验来进行船舶阻力预报，但其变化规律是一致的，可用于指导船型优化设计。对于CFD数值计算的预报结果，一般会通过模型试验或实船试验进行验证，保证结果的可靠性。随着计算机技术不断发展、各种数值计算方法的精确度不断提高以及数字水池技术的不断完善，CFD数值计算预报技术将在船舶领域得到越来越广泛的应用。

[1]胡安康，尹逊滨，余建伟. 9 200 TEU集装箱船设计特点[J]. 船舶工程，2013，35(22)：131-133.

[2]左德权, 尹逊滨, 陈晓莹. 13000TEU超大型集装箱船总体性能设计[J]. 上海造船, 2009(3)：24-26.

[3]楼丹平. 7100TEU超大型集装箱船开发[J]. 上海船舶运输科学研究所学报, 2005，28(2):128-133.

[4]贺鸿章. 5100TEU集装箱船的总体设计[J]. 江南集团技术, 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

尹逊滨(1981—)，男，工程师，主要从事船舶与海洋工程总体设计工作。

1674-5949(2016)01-008-08

U674.13+1

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