斧首船型线优化设计研究

房 建，卢 通

（1．江南造船（集团）有限责任公司，上海，201913； 2．广州船舶及海洋工程设计研究院， 广州，510250）

1 前言

高性能船舶的设计和研发，一直以来都是船舶设计的一大难点，开展高性能船舶的设计和优化，对未来船型发展具有重要意义[1]。斧首船作为一种能够兼顾船舶快速性和耐波性的优良船型，能够满足海上高速船的运营需求，并具备快捷舒适的航行性能，在恶劣海况下也具有更强的适应性，因此开展斧首船的水动力特性研究，能够给该类船型线设计提供优化思路[2]。

2 斧首船型线特点

2.1 型线设计的基本要求

一般来说，在进行船体型线设计时，首先应根据船舶的使用需求确定主尺度参数，主尺度参数影响船体水动力性能[3]，尤其是高速排水型船舶，其棱形系数Cp=▽/LdB、修长系数Φ=L/▽(1/3)、宽吃水比B/d 和长宽比L/B 等，对船体阻力和耐波性都会产生重要的影响。因此高性能船舶设计时，将船体的水下部分型线设计得较为瘦长，并对船舶型线进行优化，使得船舶在相同主尺度时具有最佳的快速性和耐波性。

2.2 型线基本特点与优化方向

斧首船主要得名于特殊的首部设计，其整体线型呈深V 状，首部水线宽非常小，首柱往往需要延伸至水线以下，且首部舷弧较高，中纵剖面近似为斧头的形状。由于斧首船首部与水线垂直，船舶的水线长较同尺度船舶更长，因此其快速性能往往更好。由于其首部具有一定的下沉深度，能够有效的改善船舶的横摇和首部兴波[4]。

在进行斧首船型线设计时，可将船体分为前半体和后半体，后半体保持完整深V 线型，前半体按照斧首船的船型特点进行设计。如图1 所示为一型典型的斧首船横剖线图。根据船体型线的主要特点，可确定目标船型线优化的基本要素：横向底升角、尾封板浸水深度、折角线长宽比、首部下沉深度。其中，首部轮廊按照斧式首的特点进行设计，尾封板浸湿深度和折角线长宽比与横向底升角度有较强的联系，因此斧首船型线的主要优化控制因素为横向底部斜升角和首部下沉深度。本文主要针对斧首船型在不同的横向底部升角和首部下沉深度下的阻力及耐波性能，进行对比分析研究[5]。

图1 斧首船型

3 斧首船型线优化设计

根据斧首船型线的基本特点，首先运用maxsurf 进行船体型线设计，并根据优化研究的方向进行适当的型线变化。型线设计变换，主要针对尾部底部升角和首柱下沉深度，同时运用CFD 进行船体快速性和适航性分析。由于船型主尺度参数对于船体性能具有较大的影响，因此本文在进行影响研究时，始终保证船体的基本参数一致。

目标船的主尺度要素如下：

总长 55.0 m

型宽 7.0 m

型深 3.5 m

吃水 ～2.00 m

设计排水量 337 t

3.1 网格无关性分析

在开展优化设计前，首先应对本文数值计算模型进行网格无关性分析。如图2 所示，运用Star CCM+划分斧首船仿真分析模型的网格，并对自由液面进行细化用来捕捉斧首船的航行特点。

图2 计算域网格划分

本文建立的数值水池控制方程采用N-S 方程，并采用湍流方程RNGk-e 模型对控制方程封闭；在进行船舶航行计算中，采用VOF 方法捕捉自由液面；同时开展了网格基数为80 万、120 万、160 万、180 万的数值模型计算，计算结果见表1 和图3。

表1 总阻力计算结果

图3 不同网格数CFD 计算结果对比

从表1和图3可以看出，当网格基数达到160万后，总阻力结果基本不变，因此在后续的仿真计算中网格基数应不低于160 万，能够有效的保证计算误差较小。

3.2 底部斜升角对快速性的影响

首先基于Maxsurf 修改斧首船尾部的底部斜升角为0°、5°、10°、15°，修改过程中首部型线基本保持不变，如图4 所示。

图4 不同底部斜升角横剖线

将设计好的型线进行建模封闭开展CFD仿真计算。本船的设计航速为32 kn、巡航航速为18 kn，快速性影响研究中开展了12～34 kn 范围的阻力预报，见表2所列。

表2 总阻力计算结果

图5 给出了仿真结果和船型变化的阻力对比。从对比图可以看出：在航速较低时，底部斜升角的变化对斧首船阻力的影响十分有限；当航速超过28 kn 后，底部斜升角为0°、5°、10°的阻力差距仍较小，但底部斜升角为15°的船体在高航速段的阻力增加相对较大。

图5 不同底升角，斧首船阻力

对比四种船型的航行纵倾角，也可以发现类似的规律，见图6 所示。

图6 不同底升角，斧首船纵倾角

从图6 中可以看出：斧首船航行时的纵倾角随航速的增加而增加，当航速大于28 kn 后，纵倾角变化不明显；底部斜升角为0°时，高速航行时纵倾角的变化最小；相对于0°、5°的航行纵倾角，尾部斜升角为10°、15°纵倾角较小。

此外，对比四种线型的尾部平均砰击载荷可以发现：尾部斜升角较大时，底部砰击载荷明显减小；底部斜升角增加至10°以上时，船体阻力增加，但尾部砰击明显减小，因此在实际设计时需综合考虑底部斜升角，如图7 所示。

图7 不同底升角，尾部抨击载荷

3.3 首柱下沉深度对阻力和耐波性的影响

如上所述，底部斜升角减少时，对阻力有一定改善，但尾部砰击明显增大，对耐波性有一定影响，因此需进一步展开耐波性优化的研究，期望通过变化首部型线对耐波性进行优化。

本文通过变换首柱下沉深度，改变其首部流动状态，探究其首部形式对耐波性的影响。在开展首部型线的研究中，底部斜升角为5°，从而保证尾部型线对船舶快速性最有利。图8 给出了首部下沉深度为0.5 m 和1 m 时的纵剖线图。

图8 两种首部下沉深度纵剖线

在耐波性研究中，波浪场波高为1 m，波长为20 m、40 m、60 m、80 m、100 m；船保持迎浪航行，航速为18 kn。

将两种首部线型的模型进行CFD 仿真计算，并重点关注船的垂荡、纵摇、尾部砰击压力、首部兴波、垂向加速度等耐波性指标。

图10 不同下沉深度纵摇运动幅值对比

图11 不同下沉深度垂向加速度幅值对比

图9～11 分别为两型斧首船迎浪航行时的的垂荡、纵摇、垂向加速度的对比图。从图9～11 中可以看出：两型船的运动响应幅值，均随遭遇波浪的波长先增大后减小。其中波长船长比为1.2 时，纵摇和垂向加速度最大；波长船长比为1.5 时，垂荡运动最明显；垂荡运动并未因首部线型变化而出现较大差异，但首部下沉深度为1 m 时，重心位置的垂向加速度更大。

图9 不同下沉深度垂荡运动幅值对比

图12 对比了两型斧首船迎浪航行时首部波浪上涌高度。首部波浪上涌高度均随遭遇波浪波长的增大，先增大后减小，首部兴波高度在下沉深度为1 m时更小。

图12 不同下沉深度首部波浪上涌高度

综上可知，下沉深度为1.0 m 的垂荡及垂向加速度更小，且首部下沉深度增大后，船体在遭遇短波时的纵摇运动响应也变小了，因此下沉深度为1.0 m 的耐波性要优于下沉深度0.5 m。

4 总结

本文在Fr=0.266～0.753 范围内，分别研究了斧首船型底部斜升角的静水阻力变化；并在巡航航速（Fr=0.398）下，讨论了首部下沉深度变化对斧首船耐波性的影响，获得了斧首船型线设计的相关结论：

（1）底部斜升角在0～10°时，船总阻力并不会发生明显的增加；当底部斜升角度大于10°时，总阻力迅速增加；

（2）底部斜升角度大时，尾部的砰击载荷相对较弱；底部斜升角增大，会降低船体的快速性；

（3）首部兴波高度及波浪诱导运动响应幅值，均随遭遇波浪的波长增大，先增大后减小；

（4）首部下沉深度增加时，首部兴波高度、垂荡及重心位置的垂向加速度均减小，下沉深度为1.0 m 的耐波性要优于下沉深度0.5 m；

（5）斧首船型线设计时，应综合考虑运营海域的环境。对快速性要求较高时应采用首部下沉深度小、尾部底斜升角小的方案；对于耐波性和适航性要求高的船舶，应适当增加底部斜升角和首部下沉深度。