散货船上层建筑空气阻力研究与设计优化

刘 贝

(新世纪船舶设计研发(上海)有限公司，上海201203)

0 引言

当前全球碳减排工作正在积极推进，对于航运业减碳的要求也越来越高。航运业短期减排措施包括完善能源效率框架、研发提高能效的技术、优化船舶速度、制订能效指标、研发替代性低碳或零碳燃料等，因此造船企业推出了各种类型的节能减阻装置，如：球鼻艏、舵球、毂帽鳍、导流罩等，以减小船舶水下部分阻力。目前，这些节能减阻装置已经在各类型船舶上普遍应用[1]。

由于空气阻力占总阻力比例较小，船舶上层建筑设计时通常较少考虑空气阻力的影响，但是当其他减阻措施都已经使用后，为进一步优化设计，减小船舶上层建筑空气阻力成为一个重要优化方向。陈前昆等[2]对船舶风载荷研究进展和发展趋势进行了概述，提出上层建筑优化应使气流在迎风面和侧风面角隅处尽量减少分离，保持流向一致性。蔡文山等[3]以5万t油船为研究对象，分析了不同迎风面构型上层建筑的风阻情况，但未对构型的不同参数影响进行分析。本文以82 000 t散货船为研究对象，研究不同形状参数变化(如前壁切角尺寸或圆角半径大小)对上层建筑空气阻力的影响。

1 船舶空气阻力计算方法

普通船舶水线以上部分所受的空气阻力包括摩擦阻力和粘压阻力。由于空气密度和粘性系数都很小，因此摩擦阻力所占比例极小，船舶空气阻力主要为粘压阻力。空气阻力与船舶水上部分外形及风的相对速度和大小有关，它可由下式计算：

(1)

式中：Ra为空气阻力，N；Ca为空气阻力系数；ρa为空气质量密度，ρa=1.226 kg/m3；At为船体水线以上部分在横剖面上的投影面积，m2；νa为空气相对船的速度，m/s[4]。

从式(1)看出：空气密度是常数，在速度一定的情况下通过减小受风面积At可以减小空气阻力[5]；也可以通过改变上层建筑的外形特征(如切角、倒圆角等)减小阻力系数Ca和空气阻力。

2 82 000 t散货船上层建筑外形演变过程

目前市场的主流82 000 t散货船属于卡尔萨姆型灵便型货船，其主要参数为：总长229.00 m，型宽32.26 m，设计吃水14.50 m，设计航速约14.2 kn。第一代82 000 t散货船于2012年前后推出，到目前已经历过多次设计迭代，各种设计指标不断优化，其上层建筑经历了三代设计优化。

第一代82 000 t散货船：船长L=11.20 m，船宽B=22.40 m，上层建筑正面投影面积较大，未考虑空气阻力的影响。

第二代82 000 t散货船：对上层建筑进行了优化，宽度减小，船长增加。船长L=13.94 m，船宽B=18.26 m，长宽比增大，正面受风面积减小。第二代上层建筑布置合理，是目前使用较多的上层建筑方案。

第三代82 000 t散货船：对上层建筑在第二代的基础上进一步优化，即减小宽度，增加长度。船长L=18.4 m，船宽B=11.2 m，长宽比进一步增大，正面受风面积减小至第一代上层建筑的一半，上层建筑内部布置紧凑。

3 上层建筑空气阻力仿真计算

式(1)中空气阻力系数Ca包含主船体水线以上部分和上层建筑部分。为研究船舶上层建筑形状对阻力系数的影响，下文用Cd表示上层建筑部分空气阻力系数。使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法计算不同上层建筑外形的阻力及阻力系数[6]。首先使用二维CFD方法，分析上层建筑前端壁切角、倒圆角等形式的变化对阻力系数变化趋势的影响，总结相应的规律。然后使用三维CFD方法对相关结论进行验证并进一步优化结构。

计算中假定船舶在无风环境下以最大航速14.2 kn航行，使用稳态方法计算此时上层建筑受到的阻力，并计算出阻力系数Cd。计算过程中，选用k-omega SST湍流模型；求解方式中压力速度耦合选择Coupled；边界条件选用速度进口，给定进口速度和相应参数；出口选用压力出口，压力设置为0。

3.1 第一代至第三代82 000 t散货船上层建筑阻力情况

第一代至第三代82 000 t散货船上层建筑阻力情况见表1。根据表1可以看出，通过减小上层建筑受风面积，可以显著降低空气阻力，同时空气阻力系数也会变化。第三代上层建筑正投影面积减小一半时，其阻力值减小超过50%。

表1 第一代至第三代上层建筑空气阻力与阻力系数对照表(二维CFD方法计算)

3.2 上层建筑前壁切角对阻力的影响

对上层建筑前壁进行切角处理，可以改变侧壁气流方向，从而减小空气阻力，见图1(a)。

C—切角尺寸；R—圆角半径。

对不同代次上层建筑前壁进行切角处理，用二维CFD方法分别计算不同切角值对应的空气阻力变化情况，切角大小与空气阻力系数的变化趋势见图2。从图中可以看出：随着上层建筑前壁切角的增大，空气阻力系数逐步减小，但减小的趋势越来越平缓。由于切角尺寸增大会使上层建筑的有效使用面积减小并影响舱室布置情况，故切角值不宜过大。

图2 阻力系数比值随上层建筑前壁切角大小变化情况

3.3 上层建筑前壁倒圆角对阻力的影响

对上层建筑前壁进行倒圆角处理，可使流线更贴近于舱壁，进而起到减小空气阻力的作用，圆角示意图见图1(b)。

对不同代次上层建筑前壁进行圆角处理，用CFD方法分别计算不同圆角对应的空气阻力变化情况，圆角半径大小与空气阻力系数的变化趋势见图3。从图3可以看出，随着圆角半径R的增大，阻力系数Cd呈现减小趋势；当圆角半径R与上层建筑总宽度B比值接近0.1时，阻力系数Cd会显著减小；其后再继续增大圆角半径，阻力系数Cd基本不再减小。其原因为在给定风速下，当R/B远小于0.1时，在侧壁处会出现分离现象并产生涡；当R/B接近0.1时，流线已非常贴近上层建筑侧壁，即可以认为此时外形已接近流线型，见图4。

图3 阻力系数比值随上层建筑前壁圆角半径大小变化情况

图4 第三代上层建筑R=0.1B外部流线示意图

图2和图3中局部阻力系数出现增大的相反趋势，原因是对应工况计算过程中上层建筑侧壁出现规律性的涡分离现象，造成阻力系数周期性变化，图中阻力系数取值为波动过程中的最大值。

3.4 使用三维CFD方法对上述结论进行验证

以第三代上层建筑为例，使用三维CFD方法对上述所得出的结论进行计算验证。首先计算优化前的上层建筑三维模型(即对二维模型H1进行三维化处理，模型代号H3D1)阻力系数情况，其次计算上层建筑前壁不同圆角半径R(考虑到实际情况，对顶层驾驶室前壁进行切角处理)时的阻力系数。其变化趋势见图5。

图5 阻力系数Cd比值与圆角半径关系(三维CFD计算)

由图5可以看出，三维CFD计算结果与上述结论相近，即当圆角半径R逐渐增大至0.1倍上层建筑宽度时，阻力系数Cd会显著减小，其后再继续增大圆角半径则阻力系数Cd基本不再减小。三维CFD方法计算时，由于上层建筑底部甲板和顶部外形影响，优化后的阻力系数Cd值与优化前比值约为40%。阻力系数减小幅度小于二维CFD计算对应的结果，存在进一步优化的空间。

3.5 对上层建筑驾驶室顶部进行优化

对上层建筑驾驶室顶部前端进行切角和圆角处理，分别计算阻力系数。由于切角或圆角过大会影响驾驶室布置，故选择驾驶室顶部前端进行切角C=500 mm和圆角R=500 mm计算。优化前后上层建筑中纵剖面压力分布情况见图6。

图6 驾驶室顶端优化前后纵剖面总压力分布(单位：mm)

从图6可以看出，优化前驾驶室顶部气流存在明显分离现象，优化后分离现象明显变化。优化前后阻力系数变化情况见表2。

表2 第三代上层建筑驾驶室顶端外形与阻力系数对照表

4 结论

(1)在上层建筑前壁设置圆角R=0.1B。

(2)驾驶室顶部前端设置圆角R=500 mm，可以在对上层建筑布置影响较小的情况下，将该型散货船第三代上层建筑的空气阻力系数减小至优化前的34%左右。

(3)在设计航速下，通过三维CFD计算可以得到第一代上层建筑空气阻力及阻力系数(Cd=1.135)，进而计算得到第一代上层建筑的空气阻力占全船总阻力(已知模型试验总阻力)约为1.8%。根据式(1)可以计算出，通过上述方法进行优化后的第三代上层建筑相对于第一代上层建筑空气阻力减小约82%。假定船舶其他阻力不变，则该方法理论上可以将船舶总阻力减小约1.5%，减阻效果明显。该优化方法对于降低散货船燃油消耗、提高设计能效有显著效果。