某化学品船船型优化与节能

殷晓俊， 黄家彬

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135；2.中远海运能源运输股份有限公司，上海 200120)



某化学品船船型优化与节能

殷晓俊1， 黄家彬2

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135；2.中远海运能源运输股份有限公司，上海 200120)

基于国际社会对航运业环保要求的不断提升及航运企业自身成本控制的要求，船舶所有人对新造船能效水平提出更高的要求。针对某化学品船型优化。首先，确定适宜的船型方案，利用势流计算流体动力学(Comutational Fluid Dynamics,CFD)软件进行波形分析和优化线型，优化后的船型表面压力梯度降低，艏艉散波、横波及艏肩波均明显减小，剩余阻力系数显著降低；其次，采用黏性CFD软件进行黏性流场计算，优化艉部线型，消除艉部涡流，使桨盘面伴流分布均匀，峰值降低；最后，在此基础上设计节能舵球，进一步提高船舶的设计航速。模型试验结果表明，新船型的快速性能优良，与CFD计算结果吻合，舵球取得2%的节能效果。

化学品船；线型优化；舵球节能

0 引 言

航运业作为国际贸易货物运输的重要渠道，对世界经济的发展起着巨大推动作用。研究表明，航运业承担着全球90%国际贸易运输量，其兴衰被看作全球经济冷暖的晴雨表。

一方面，随着世界经济和贸易一体化进程不断深入，全球航运业愈发显现出举足轻重的作用。化学品运输为农业、轻纺、能源、交通、机械及建筑等工农产业和人民的日常生活提供配套服务，在国民经济中占据着重要的地位。近期石油输出国组织(Organization of Petroleum Exporting Countries, OPEC)原油出口量的增加及美国页岩油产量的稳步提升不仅推动了原油运输需求的增长，同时也增加了化学品船市场的需求。

另一方面，全球气候变暖及环境污染问题已成为不可回避的话题。虽然航运业单位运输量的碳排放强度远远低于其他运输方式，但由于国际航运业的快速发展导致CO2排放总量显著增加，航运业的环保问题引起了社会各界的高度重视。2007年国际海事组织(International Martine Organization, IMO)指出，若航运业对碳排放不加以控制，则将在2050年增长近5倍，达到全球碳排放总量的18%。因此，国内外对船舶的排放要求日趋严格，纷纷出台一系列控制船舶碳排放的标准和制度，如新船能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI)沿海排放控制区的不断设立和扩大、欧盟的MRV(Monitoring,Reporting and Verification)机制等。这些标准和制度的出台都发出同一个信号：发展低碳航运刻不容缓。

因此，船舶所有人需要高效、节能的化学品/成品油船，一方面抢先占领成品油市场，为壮大我国的化学品航运市场做准备；另一方面降低船队发展对环境的不利影响，满足日益严格的环保公约和规范的要求，履行社会责任。这里介绍一艘适合于近海运输，可运载化学品、成品油及动植物油等多种类货物的兼用型化学品船。通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)与工程流体动力学(Engineering Fluid Dynamics, EFD)相结合的方式开发性能优良的船型方案，并利用舵球节能技术进一步提高能效水平，提升船舶的竞争力。

1 设计方案

常规船为减小兴波阻力往往设置球鼻艏，若其大小和位置设计得当，则在船舶航行中所产生的波型和艏部的波型形成有利干扰，使合成波高较原来的艏部波高有所减小，降低船舶阻力。

然而，考虑到球鼻艏的建造工艺复杂、建造成本高及直型艏船型在低速肥大型船舶上的推广运用，一些中等方形系数、中等航速的化学品船和油船等也可考虑采用直型艏。此类直型艏船保留了球鼻艏的减阻特性，设计时将其形状隐含在直形艏内并加以线型优化(可称其为隐形球艏，采用了仿生学设计，类似鲸鱼的头部),可使水线长增加，船舶的进流角减小，进而降低船肩部的压力梯度，达到减小剩余阻力的目的。此外，在复杂多变的海况下，隐形球艏还可减少波浪中阻力的增加[2]。

2 线型优化设计及模型试验(第一阶段)

2.1 线型优化设计

该阶段确定不同的船型方案，采用势流CFD软件分析这些船型方案在相同排水量、相同设计吃水和相同设计航速下的船体波形大小与船表面压力梯度，并试图找出该设计航速下的相对优化船型。

根据船舶原理，相同速度下的摩擦阻力与湿表面积成正比，湿表面积与船长又成正比；而在船体主尺度方面，排水量一定时，增加船长必定减小船宽和吃水。船型瘦长使黏压阻力降低，船宽和吃水减小使兴波阻力降低，从而使剩余阻力下降。可见，增加船长对摩擦阻力和剩余阻力产生了相反的影响。研究表明，在一定航速下，最佳船长附近的一定范围内阻力并无多大差异。因此，应采用阻力不过高的最短船长，以降低造价；同时，避免船长过长使船体回转性差，对操纵性产生不利影响。

由此，采用巴士久宁公式，在合适的范围内调节船长。

(1)

该项目3个不同的直形艏方案特征如下:

1) 方案1：艏部横剖面呈缓和U形；艉部横剖面呈V形；隐形球艏呈V形;

2) 方案2：艏艉部横剖面都呈V形；隐形球艏较方案1的V形更瘦;

3) 方案3： 艏艉部横剖面都呈V形；隐形球艏上端呈水滴形，下端仍保持V形。

各方案的船体主尺度见表1，CFD计算结果见图1。

表1 船体主尺度表

a) 方案1

b) 方案2

c) 方案3

由图1可知：

1) 方案1艏部产生的散波最明显，艏肩波和舯部横波最大，同时船体表面压力梯度也最大。

2) 方案2的艏部散波、肩波、艏艉部横波及船体表面压力梯度都较方案1明显下降，原因是V形的水下部分可加快水流沿纵剖线方向的流动。根据伯努利方程的原理，流速增加，船体表面的压力减小。船体主尺度变化后，方形系数也相应变化；通过调节15～19.5站在设计吃水处的宽度至最佳，减小进流角并削瘦肩部，从而产生较小的肩波。

3) 方案3的艏部散波和船体表面压力梯度较方案2有较明显改善，这得益于上端和中端为水滴形、下端为偏V形的隐形球艏。该隐形球艏的水滴形特征使得球艏的相对排水体积占比更大，产生的兴波既能更好地对船体艏横波产生有利干扰，又可避免水滴形球艏下端较胖导致船体在该处纵向水速减缓、表面压力增加的情况发生。

综合艏艉散波、肩波及横波的波形大小和压力梯度的改善情况判断，方案3优于方案2，方案2优于方案1。根据数值计算结果，方案3的剩余阻力系数在3个方案最低。因此，采用该方案进行船模加工和模型试验。

2.2 模型试验

模型试验分为阻力试验与自航试验两部分，该船采用SKEW型螺旋桨推进。在分析阻力试验结果时，剩余阻力系数基本与数值计算出来的结果一致，在同类型船舶中阻力性能较好。自航试验时发现，在车速相同、螺旋桨转速不同时，测到的螺旋桨扭矩值有小幅波动。

根据经验分析，该现象说明艉部纵舯剖线在螺旋桨前方上抬过快，伴流峰值变高，使桨来流不均匀，实船上可能导致螺旋桨振动较大，艉型还有继续优化的空间。虽然此类中等方形系数船舶中兴波阻力占比偏大，黏压阻力占比不高，但其设计航速对应的傅氏数超过0.20，艉部流速较快。因此，若艉部线型没能有效引导更多的水流到螺旋桨盘面处，则艉部流态会不稳定，使黏压阻力增高，螺旋桨盘面处产生涡流，对船舶的空泡性能产生不利影响。同时，螺旋桨吸收能量不足也将导致推进效率下滑。因此，不仅是减少兴波阻力，黏压阻力的减少在该类特征船型中同样重要。

3 线型优化设计及模型试验(第二阶段)

3.1 线型优化设计

采用势流计算软件进行线型优化已明显改善阻力成分中的兴波阻力，使剩余阻力降低，但是结合上述试验和分析，需采用黏性流体软件计算分析艉部流场，并进一步优化艉部线型。

方案4设计思路：艉部采用趋于球艉的艉船型设计。

一般艉部对兴波阻力的作用较小，但艉部形状对螺旋桨盘面处的水流影响较大。恰当的球艉线型可降低伴流峰值，使伴流分布更均匀、舭部旋涡明显减弱；同时，还能获较大的船身效率，继而提高船舶的推进效率。以往的空泡试验结果表明，球艉型船的空泡情况较好，脉动压力幅值比V型艉更低。

因此，方案4在方案3的基础上使艉部球艉特征更加明显，排水量、船宽及船长不变。方案3和方案4的波形与压力分布图、伴流等值线图及船体流线图见图2～图4。

a) 方案3

b) 方案4

图2 波形与压力分布图

a) 方案3

b) 方案4

a) 方案3

b) 方案4

1) 由图2可知，方案4的艉部波形和压力分布略有改善。

2) 由图3可知，方案4的伴流峰值明显降低，伴流周向均匀性更佳。

3) 由图4可知，方案4接近桨盘面上方的流线比方案3的明显平顺，说明水流相比方案3能更多、更快地流到桨盘面上方以提供推进动力；同时，可避免桨盘面处的涡流产生。

因此，方案4相较于方案3在推进性能和空泡性能方面均有所提高。

图5 对比剩余阻力图

3.2 模型试验

根据方案4进行船模改型，并进行模型试验验证。相比第一阶段的模型试验，该次试验中推力和扭矩测量点跳动的现象消失，且阻力试验航速范围内的剩余阻力系数还能在方案3的基础上整体降低2.7%～6.4%(见图5)。说明方案4的改型使得原来方案3艉部线型纵剖线的斜率变化减小，使纵剖线更加平顺，既消除对桨盘面不利的绕流，又降低艉部的黏压阻力；说明阻力性能优化中，不能忽略艉部优化的重要性。

4 舵球节能研究与试验验证

除了优化船型之外，安装附体节能装置降低能耗仍是提高运输经济效益的有效手段，其中舵球是一种投资少、效益好、安装方便的节能装置。因此，为提高舵球的能效，尝试加工2个不同参数的舵球，舵球剖面采用NACA翼型，舵球前端采用平头，与桨毂后端贴近并齐平，其效果相当于使舵球更靠近螺旋桨，更多地吸收桨的能量损失。设计船体舵时，需注意舵销螺母可拆板的位置要避开舵球所在区域，以方便舵销螺母的检测。舵球参数见表2，外形见图6。

表2 舵球尺寸主要参数

a 舵球

b 舵球

在方案4的基础上分别进行不带舵球、带舵球a和带舵球b的3次自航试验。以船舶推进效率的高低来判断舵球的能效。通过自航试验对比，带舵球a的船体相比不带舵球的船体，提高的船舶推进效率不足1%；而带舵球b的船体在设计航速附近能提高约2%的推进效率。以往的经验是,舵球直径与桨径比为0.22～0.25，因此在条件可行的情况下，可尝试大体型的节能舵球方案。综合方案4线型的阻降效果，最终确定该化学品船采用方案4+舵球b，可在方案3的基础上进一步降低收到功率约2.5%。

最终，通过第一轮偏重阻力减小的线型优化和第二轮偏重推进性能提高及艉部流场改善的线型优化，再加上节能舵球的优选，该船的快速性指标已在同类船舶中达到上乘水平。

5 结 语

运用CFD和EFD相互结合的方式设计出一种阻力性能优良、艉部流场稳定的船型，并带有高效节能的舵球。在同类型化学品船中，其能效指标先进，具备较强的市场竞争力。

1) 综合运用CFD软件进行势流和黏压计算，可为船舶所有人更好地研发快速性能优良、能效指标先进的船型，以满足市场需求。

2) 直形艏船采用隐形球艏的船型，可尝试扩展到设计航速偏高、中等方形系数的船舶，以降低船舶剩余阻力，提高快速性能。

3) 艉部线型优化的重要性不仅体现在低速肥大船型中，在中高速的偏瘦型船舶中同样重要，既能进一步降阻，又能有效改善艉部伴流场及空泡振动。

4) 设计节能舵球可考虑选取舵球直径桨径比偏大的大体型舵球方案，其节能效果会比较明显。

[1] 盛振邦, 刘应中. 船舶原理[M]. 上海：上海交通大学出版社，2003.

[2] 陈霞萍, 陈为民, 陈兵, 等. 直型艏与常规球艏静水阻力与波浪增阻比较研究[J].中国造船，2014(1)：113-120.

A Study on Hull Form Optimization and Energy Saving of a Chemical Tanker

YIN Xiaojun1, HUANG Jiabin2

(1.StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology,ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute,Shanghai200135,China; 2.COSCOSHIPPINGEnergyTransportationCo.,Ltd.,Shanghai200120,China)

A chemical tanker is designed with Computational Fluid Dynamics(CFD) software in response to owner’s stringent requirements. The main dimensions of the tanker are specified and a number of schemes are prepared. The CFD software is used for hydrodynamic analysis and design optimization. The optimization of hull form results in quite a few improvements, including lower pressure gradient along the ship surface; smaller bow and stern dispersion wave, transverse wave and bow shoulder wave; and the decrease of the residual resistance coefficient. The viscous fluid calculation is also performed with the CFD software to optimize the stern form, through removing the stern vortex and improving the wake distribution on the face of the propeller. Finally, an energy saving rudder bulb raises the design speed. The model tests indicate that the resistance and propulsion performance of the new ship is excellent. The tests also prove that the CFD calculation results have good accuracy. The energy saving of the rudder bulb reaches 2%.

chemical tanker； hull form optimization； rudder bulb energy saving

2016-06-08

殷晓俊(1982—)，男，上海人，助理研究员，主要从事船舶水动力性能研究。

1674-5949(2016)03-0024-06

U674.13

A