波浪增阻计算方法在船体型线优化设计中的应用

王艳霞，左成魁, 王 杉，陈京普

(1.中国船舶科学研究中心 上海分部，上海 200011;2.江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏 无锡 214082;3.中海工业(江苏)有限公司，江苏 扬州 225221)

波浪增阻计算方法在船体型线优化设计中的应用

王艳霞1,2，左成魁3, 王 杉1,2，陈京普1,2

(1.中国船舶科学研究中心 上海分部，上海 200011;2.江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏 无锡 214082;3.中海工业(江苏)有限公司，江苏 扬州 225221)

介绍MEPC65次会议中国提交的波浪增阻计算方法，并将其应用于某油船的型线优化设计研究中，比较分析计算结果和试验结果，认为该计算方法用于指导风浪中的型线优化工作是行之有效的。

EEDI；风浪；型线优化；增阻

就绿色船舶而言，最大的挑战是如何改善船体流体性能，降低燃油油耗。传统上的船体优化主要以静水中的油耗最小为目标[1-2]，但对于低速肥大型船(如VLCC)，传统的优化做法会导致钝球艏的产生，而钝球艏最大的缺点就是波浪增阻非常高。近几年越来越多的计算方法被用于计算船体风浪航行中的波浪增阻，2013年召开的海洋环境保护委员会第65次会议(简称"MEPC65")上中方提出了一种新的波浪增阻计算方法[3-4]，用于计算典型海况下船舶失速系数——EEDI(energy efficiency design index)。

考虑到真实海况并非风平浪静，为了进一步降低船舶航行过程中的油耗，考虑风浪中阻力增加的船体型线优化设计研究得到了充分关注。在此过程中，将波浪增阻研究成果应用于船型设计已得到初步探索[5-7]。

本文简要介绍MEPC65次会议中国提交的波浪增阻计算方法(MEPC65/4/11)。为了验证该方法是否可以用于指导波浪中的线型优化工作，选取某油船为研究对象，采用数值计算与模型试验相结合的手段，讨论风浪中阻力增加的船体型线优化设计。

1 波浪增阻理论计算模型

1.1 规则波中增阻

船舶在规则波中阻力增值(Rwave)可以由水池模型试验或者数值模拟方法，或者两者结合的方法确定。采用数值方法时，Rwave主要由两部分组成：船舶运动引起的阻力增值(Rwm)和波浪反射引起的阻力增值(Rwr)。规则波的波浪增阻传递函数Kaw的计算公式如下。

Rwave=Rwm+Rwr

(1)

(2)

式中：ρ——流体密度；

g——重力加速度；

ζa——入射波波幅；

B——船宽。

1)在STF切片法计算船舶运动的基础上，采用Gerritsma 和Beuckman[8]辐射能法计算船舶运动引起的增阻Rwm。

2)采用文献[9]计算Rwr。

式中：αd——计入有限吃水频率效应的系数；

ω——入射波圆频率；

V——船速；

a,b,c——钝型系数，由水线形状决定。

1.2 不规则波中波浪增阻ΔRwave

不规则波可以看成规则波的线性叠加，所以不规则波中波浪增阻ΔRwave可以通过频率谱Sζ以及规则波中增阻Rwave进行线性叠加得到。

2 线型优化设计

选取某油船为低速肥大型船的典型代表，以其为研究对象，以蒲氏六级海况中的波浪增阻为目标函数，对其艏部线型进行优化设计。该油船的LPP/B、B/T和Cb分别为5.39、2.67和0.813。

线型优化设计过程中，保持艉部线型不变，主要改变艏部吃水附近的线型。水线面线型变化见图1。图1中标注了各方案水线艏端半进角。从水线长角度看，线型1方案最短，线型2、线型3和线型5方案最长，线型4方案居中。从水线艏端半进角来看，线型3、线型4和线型5这3个方案较接近，均在50°～52°附近，艏端形状接近直线；而线型1和线型2方案较接近，在67°～70°附近，艏端形状较丰满。从整个水线进流段丰满度看，线型5最瘦削，其他方案相当。

图1 艏部设计吃水处水线

为了保持线型的光顺，艏部设计水线形状的改变必然引起设计吃水附近线型的变化，排水体积和湿表面积也会相应变化。表1是各线型方案主参数对比。下标注“0”表示线型1方案，S、▽和Cb代表湿表面积、排水体积和方形系数。可以看出，与线型1方案相比，其它方案的排水体积和湿表面积均有所减小，前者减小量在0.3%以内，后者减小量在1%以内。

表1 各线型方案主参数对比

3 计算结果分析

对5个设计方案进行性能评估。风浪中波浪增阻的计算采用文中介绍的方法。计算输入参数见表2。

表2 计算参数

3.1 规则波中的波浪增阻传递函数

规则波波浪增阻传递函数对比见图2。

图2 规则波中波浪增阻传递函数对比(MEPC65/4/11计算方法)

由图2可见计算结果存在以下规律。

1)在λ/LPP=1.0附近，5个方案的波浪增阻传递函数均达到峰值。比较5个方案的峰值可知，线型1最小，接着依次是线型2、线型3、线型4，而线型5最大。

2)对于短波区域(λ/LPP<0.5)，其数值约为峰值大小的1/2。5个方案中，线型1最大，接着依次是线型2、线型3、线型4，而线型5最小。短波区域的数值规律与峰值处正好相反。

3)对于长波区域(λ/LPP>2)，5个方案对应的波浪增阻传递函数几乎相等。

4)图2表明，波浪增阻传递函数的峰值随航速的增大而增大。

3.2 不规则波中的波浪增阻对比分析

基于以上规则波中的研究结果，采用ITTC(1978)推荐双参数波浪谱，计算得到5个线型方案的不规则波中的波浪增阻ΔRwave，见表3。

表3 波浪增阻ΔRwave相对变化数值结果对比 %

表3中的波浪增阻相对变化均是相对于线型1的变化，“-”代表下降。对比可知：相对于线型1产生的波浪增阻值，在计算航速范围内(10.5～ 15.5 kn)，线型2下降5%～10%，线型3下降17%～20%，线型4下降21%～23%，线型5下降约31%～35%。结合图2可知，虽然在λ/LPP=1.0附近线型5的波浪增阻传递函数最大，但短波部分线型5最小，最终线型5的波浪增阻值最小。

3.3 水池模型试验

为了更好地验证波浪增阻计算方法指导线型优化的有效性，选取线型1和线型5两个方案在702所01拖曳水池开展波浪增阻模型试验验证。该水池主尺度为474 m×14 m×7 m(水深)，在水池一端布置了摇板式造波机，可模拟一定范围内的规则波。两艘船均为玻璃钢船模。试验中,规则波波高约为1/50模型垂线间长，波长船长比范围是0.2～2.0。

结构吃水试验航速范围为10.0～15.5 kn。

模型试验与数值计算得到的线型5与线型1的ΔRwave相对变化对比见表4。

表4 数值计算与模型试验比较

由表4可见，针对两个不同线型，文中所采用的波浪增阻计算方法得到10.5、13.0 kn时波浪增阻分别下降31%、33%，对应的模型试验结果分别下降29%、30%。两者从定性上是一致的，定量上波浪增阻改善程度也非常接近，能够很好地满足工程应用的需要。

数值计算结果与模型试验结果的吻合，在一定程度上表明该方法应用于考虑风浪中阻力增加的船体线型优化设计研究中是可行的，但其普适性仍需要更多船型的验证。

4 结论

1)采用文中方法计算波浪增阻时，各个优化线型的波浪增阻传递函数在短波区域低于初始线型，在λ/LPP=1.0附近均比初始线型高，在长波段各个方案差异较小。

2)优化线型之间波浪增阻相对变化趋势与短波区域内波浪增阻传递函数的变化趋势一致，这说明短波增阻对船舶的波浪增阻性能贡献最大，这与文献[8]结论一致。

3)文中采用的计算方法得到的波浪增阻变化趋势与试验结果一致，波浪增阻的变化量与试验结果较接近，基本满足工程实际需要。因此，该方法应用于考虑风浪中阻力增加的船体线型优化设计研究中在一定程度上是可行的，但它的普适性仍需得到更多船型的验证；同时，多种波浪增阻计算方法在线型优化中的应用研究有待开展更多的比对和验证工作。

4)该波浪增阻计算方法可以识别优化线型在波浪中性能的优劣，这在一定程度上可大大节约试验成本、提高线型的优化效率，为波浪中的线型优化工作提供技术支持。

[1] 王艳霞,陈京普.基于CFD技术的工程船线型优化研究[C]∥第十一届全国水动力学学术会议暨第二十四届全国水动力学研讨会论文集.全国水动力学研讨会,2012，1060-1066.

[2] 程红蓉,陈京普，王艳霞，等.几种船型优化手段在节能船型开发中的应用[J].中国造船,2012，(S1)：31-39.[3] Marine environment protection committee.Considerations on the interim guidelines for the calculation of the coefficient fwor for decrease in ship speed in a representative sea condition[C].MEPC 65/4/11,2013.

[4] Marine environment protection committee. Draft alternative interim guidelines for the simulation for the coefficient fw for decrease in ship speed in a representative sea condition[C].MEPC 65/INF.21,2013.

[5] 张宝吉.基于静水阻力和波浪增阻的全船线型优化[J].华中科技大学学报,2011,39(10):32-35.

[6] Daniel Edward Nordås.Optimization of bow shape of large slow ship[D].Norwegian University of Science and Technology,2012.[7] 王 杉,陈京普,魏锦芳,等.船舶CAD-CFD接口开发与应用研究[J].船海工程,2014,43(2):35-38.

[8] GERRITSMA I J,BEUCKLMAN W.Analysis of the resistance increase in waves of a fast cargo ship[J].International shipbuilding Progress,1972,19(217):285-293.[9] WENYANG DUAN,CHUANQING LI.Estimation of Added Resistance for Large Blunt Ship in Waves[J].Journal Marine Sci.Appl.2013(12):1-12.

Application of Added Resistance Method in Ship Hull Form Optimization

WANG Yan-xia1,2, ZUO Cheng-kui3, WANG Shan1,2, CHEN Jing-pu1,2

(1 China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China;2 Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology, Wuxi Jiangsu 214082, China;3 China Shipping Industry (Jiangsu) Co. Ltd., Yangzhou Jiangsu 225221, China)

In order to further optimize the energy-consumption of ship, the ship lines optimization design is studied considering added resistance due to waves and winds. The calculation method of added resistance due to waves in MEPC65 is introduced, which is applied to optimize the lines of a crude oil tanker. The analysis results show that the calculation method is reliable and successful to direct the lines optimization study in waves and winds.

EEDI; waves and winds; lines optimization; added resistance

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.017

2014-08-19

工业和信息化部资助项目

王艳霞(1980-)，女，硕士，高级工程师

U662

A

1671-7953(2015)01-0068-04

修回日期：2014-09-02

研究方向:船舶概念设计

E-mail:wangyanxia@702sh.com