基于Maxsurf球鼻艏型线的船舶减阻方法

张盛龙，吴恭兴

（上海海事大学，a. 商船学院；b. 海洋科学与工程学院，上海 201306）

基于Maxsurf球鼻艏型线的船舶减阻方法

张盛龙a，吴恭兴b

（上海海事大学，a. 商船学院；b. 海洋科学与工程学院，上海 201306）

为了探究球鼻艏宽度与船舶快速性的关系，在对某渔政船的主尺度和机型已定的情况下，针对相同船型设计了三种不同宽度的球鼻艏，利用maxsurf软件中的新细长体理论，首先计算原船的兴波阻力系数和有效功率，并将计算结果和船模试验值相比较，结果表明该方法和试验值较为接近；接着计算三种不同球鼻艏的船的兴波阻力系数和有效功率。结果表明适当增加球鼻艏的宽度可以减小船舶的兴波阻力，提高船舶有效功率，进而提高了船舶的快速性。

渔政船；球鼻艏；相对宽度；有效功率；兴波阻力

0 引言

随着船舶行业的发展，球鼻艏广泛用在船舶建造中，其作用主要是减小船的兴波阻力，提高船的有效功率，从而达到高效率、节能的优点。球鼻艏形式有多种，例如：常规型、水滴型、埋首型、撞角型、V型等。不同形状的球鼻艏产生的减阻大小各不相同。因此，为了满足人们的现实需求，选择合适的球鼻艏是非常重要的。

随着电子计算机的发展，计算机辅助软件所研究的线性优化得到了广泛应用。邵善庆在文献[1]中通过对型线的合理修改，并进行船模试验总结出Fn=0.362的中速船舶的水线的长度特别敏感，稍有改变，便可收到一发拨千斤的效果，而且对于船长较小的船舶来说，在不影响适航性能的前提下，其艏柱不宜追求外形而采用过大的前倾，艉部反倾角压流线型，对于小船在Fn=0.362处，不能起到增加虚长度的效果，反而会增加阻力；文献[2]采用CFD软件对比较了船舶不同首尾线型的优劣，寻找到了合适的首尾线性；文献[3]通过模拟计算与实验对比，验证CFD在船舶阻力性能预报中的合理性和有效性，但是CFD软件计算的时间较长，不可以快速得到需要的结果；文献[4]对渔船进行研究，利用试验方法通过增设球艏以达到进一步减阻节能的目的。本文以某渔政船为例，利用澳大利亚公司研制的maxsurf软件，分析求解了某渔政船在不同球鼻艏宽度下的兴波阻力和有效功率，旨在快速得到球鼻艏宽度与船舶的快速性之间的关系。

1 理论求解方法

新细长体理论是由Nobless在1983年提出，他的理论新颖而且比较完善，该理论是预测长度为L的船舶在无限水域的自由表面以速度为U做定常线性运动时受到的兴波阻力。它假设：1）流体是均匀、不可压缩、无粘性、密度为ρ的理想流体；2）流体是无旋的；3）船舶在无线深水域；4）不计流体表面张力、船艏碎波、飞溅等影响。

设船长、船宽、吃水分别为L、B、T，当船在自由表面以速度为U做定常线性运动时，建立随船坐标系O-XYZ，X轴平行于船舶运动方向并指向船艏且与U同向，Y轴指向左舷，Z轴垂直向上；XOY平面位于未受扰动的静水平面上且与船舶中横剖面重合，XOZ平面与船舶的纵中剖面重合。根据相对运动原理，流场总速度式为：

式中：Φ 为满足拉普拉斯方程，20∇ Φ= ；φ为船体扰动速度式；φ′为均匀来流速度式，φ′=Ux。

建立自由表面条件：

1）运动学自由表面条件：

2）动力学自由表面条件：

线性化可得到相应的线性化自由面边界条件：

建立物面条件：

因此可得出无量纲速度式在流场中应满足的定解条件：

∇2Φ= 0（流场中）；（船体表面）；（z=0）；辐射条件：船前无波。

根据格林公式，在近场和远场的速度势表达式如下：

式中：h为船体表面；c为平均水线；σ为船体以外的无界静水面。

将（5）式改写成：

公式（6）通过如下迭代公式求解：

从而得到各阶兴波阻力：

2 艏部型线的选择

渔政船是进行海上渔政监管与执法的专业船只，应用越来越广泛。快速性是保证其顺利完成任务的关键因素。为了提高船舶的快速性，利用某渔政船进行分析，在保证该船主尺度与主机不变的情况下，只改变球鼻艏的宽度，探讨球鼻艏宽度与船舶的快速性之间的关系。对于球鼻艏的变化引起的Fn变化较小，本文将忽略不计。该船型线图主要尺度如表1所示。

表1 某渔政船的基本参数

本文设计了三种不同球鼻艏，只改变球鼻艏的最大宽度，长度没有变化，分别命名为船1、船2、船3，船1为原船球鼻艏，船2和船3的球鼻艏宽度按顺序依次增加。三种船的球鼻艏模型图如图 1所示。与之相对应的型线图分别如图2所示。球艏的基本参数中，相对宽度（Br）的公式如下：

式中：Br为球艏相对宽度；Bpp为首垂线处球鼻最大宽度；B为船宽。

图1 球鼻艏

利用maxsurf软件中的hullspeed模块计算船1的兴波阻力系数和有效功率，计算方法为新细长体理论，把计算的结果与实验值进行比较，可以得到如图3所示的结果。

图2 型线

图3 船1实验值与新细长体理论的兴波阻力比较

从图3中可以看出，新细长理论计算的结果与试验值偏差较小，除了航速很高时计算结构有突变，不太准确，在低航速时可以近似替代试验值进行估算，利用此方法计算兴波阻力是可行的。因此利用该方法分别计算船1、船2和船3的兴波阻力系数大小，其结果如表2所示。

表2 三种不同球鼻艏的兴波阻力系数大小

由表2可知，依次增加球鼻艏的宽度，兴波阻力系数会依次变小，兴波阻力变小，船3的兴波系数阻力最小，对应的兴波阻力也最小，大约减小了船1的1.13%，这对船舶的航行是有力的。因此适当增加球鼻艏的宽度可以有效的减小船舶的兴波阻力，提高船舶的快速性。

同样，利用该方法计算船1的有效功率，计算的结果与实验值进行比较，可以得到图4的结果。

从图4中可以看出，利用该方法得到的数据与实验值结果相似，用该方法求得的船舶有效功率也是可行的。因此利用该方法分别算出船1、船2和船3的有效功率，数值如表3所示。

图4 船1实验值与新细长体理论的有效功率比较

表3 三种不同球鼻艏的有效功率大小

从表3可以看出，随着球鼻艏宽度增加，有效功率增加，模型3的有效功率提高了0.5%，说明适当增加船舶球鼻艏的相对宽度对船舶的航行状态是有利的。因此，适当增加球鼻艏的宽度可以有效增加船舶的有效功率，提高船舶的快速性。

3 结束语

本文利用maxsurf软件中hullspeed模块的新细长体理论，以某渔政船为例设计了三种不同宽度的球鼻艏，并计算了3条船的兴波阻力系数和有效功率，所得结论如下：

1）利用了新细长体理论计算了船舶的兴波阻力和有效功率，该方法适用于此类低速的渔政船，是一个适用、快速的方法。

2）适当增加球鼻艏的宽度，可以减小船舶的兴波阻力，提高船舶的有效功率，进而提高船舶快速性。

3）对于此类渔政船，航速越大，计算的结果有较大的偏差，该方法暂不适合计算高航速下的兴波阻力和有效功率。随着船舶理论和计算机技术的发展，今后将仔细研究此类渔政船在高航速下的船舶快速性与球鼻艏宽度的关系。

[1] 邵善庆. 小尺度500t渔政船阻力和型线浅析[J]. 船舶, 1994(6): 41-44.

[2] 沈海龙, 苏玉民, 庞永杰, 等. CFD技术在某肥大型船型开发及优化设计中的运用研究[C]// 第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集. 2011: 171-174.

[3] 王超, 何苗, 王伟, 等. 艏艉线型优化对船舶阻力性能的影响[J]. 中国海洋大学学报, 2011(4): 75-81.

[4] 梁建生, 谭文先. 渔船减阻节能球艏的模型比较试验研究[J]. 渔业现代化, 2009, 36(4): 54-61.

Method of Reducing Ship Resistance of the Bulbous Bow Based on Maxsurf

Zhang Sheng-longa, Wu Gong-xingb

(a. Merchant Marine College; b. Marine Science and Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In order to study the relationship between the width of bulbous bow and the ship speed, three kinds of bulbous bow with different width are designed for the same ship under the condition that a certain fishery administration ship’s principle dimension and host type has been set. First, the wave resistance and effective power about the original ship are calculated by maxsurf and the result and test value are compared. Result shows it is close to the test value. Then the wave resistance and effective power of the three kinds of ship are calculated. The result shows that proper increasing of the bulbous bow width maybe one of the best way to reduce the ship wave resistance and improve ship effective power and the rapidity of the ship speed.

fishery administration ship; bulbous bow; relative width; effective power; wave resistance

U661.31

A

1005-7560 (2014) 06-0005-04

国家自然科学基金（51309148）

张盛龙（1988-），男，硕士，研究方向：船舶与海洋结构物专业。