超大型液化石油气船线型优化设计与试验

超大型液化石油气船线型优化设计与试验

高玉玲1，陈霞萍1，柳卫东2，陈兵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. 江南造船(集团)有限责任公司， 上海 201913)

摘要:为开发具有国际竞争力的超大型液化石油气船(VLGC)船型，并为我国船厂获得VLGC的订单提供技术支持，基于CFD数值分析对VLGC进行设计吃水状态的线型优化研究。优化的线型波形平缓，船体表面压力分布均匀，艉部桨盘面伴流分布均匀，模型试验结果与CFD计算结果吻合良好。模型试验结果表明，最终优化设计的线型阻力低，能效高，船舶航速指标先进。对开发的新船型进一步开展不同纵倾压载状态的比较试验研究，结果表明，合理地调整压载纵倾值能有效改善压载状态的阻力性能，降低能耗。

关键词:超大型液化石油气船； 线型优化； 计算流体力学； 模型试验

收稿日期：2014-12-05

作者简介：高玉玲(1982—)，女，重庆人，副研究员，硕士，主要从事船舶性能研究。

文章编号：1674-5949(2015)02-015-04

中图分类号：U674.13+3文献标志码：A

Hull form Optimization and Model Tests for a Very Large Gas Carrier

GaoYuling1,ChenXiaping1,LiuWeidong2,ChenBing2

(Shanghai Ship and Shipping Research Institute, State Key Laboratory of Navigation and Safety

Technology, Shanghai 200135, China；Jiangnan Shipyard (Group) Co.,LTD, Shanghai 201913，China)

Abstract:The market of the design and building of Very Large Gas Carrier (VLGC) have been dominated by foreign countries. In order to develop competing hull form to help Chinese shipyards to win VLGC orders on world market, a VLGC hull form is designed and optimized at design draft by means of CFD method and the results show that the optimized lines had flat wave profile, uniform pressure distribution on the hull and uniform wake field on propeller disk astern. The model tests show that the optimized hull form has low resistance and high energy efficiency which agree with the CFD results. The newly developed hull form has a speed index which reaches the world advance level. The hull form design is finalized according to the model test research on different combination of ballast draughts and trims. The research indicates that reasonable ballast can improve the resistance performance, hence, reducing energy consumption.

Key words: VLGC; hull form optimization; Computational Fluid Dynamics; model test

0引言

液化石油气(Liquefied Petroleum Gas, LPG)是天然气生产和原油精炼衍生产品，其运输通常由液化气船来承担。经过半个世纪的发展，液化气船逐渐由小型的全压式液化气船发展到低温、大容量运输为主的半冷半压式和全冷式液化气船。受市场容量和码头设施的限制，近年来液化气船的发展并没有出现更大型化的趋势。但随着液化气海运量逐渐增加，出于航运经济性考虑，中长距离干线运输的液化气船正朝大型化方向发展，超大型全冷式LPG船(Very Large Gas Carrier, VLGC)的发展速度加快，船龄20年以上的老龄船将被淘汰。另外，由于未来中东地区LPG的出口增加而目前VLGC船队运力短缺，因此VLGC的市场前景被看好。

在全球提倡航运节能、绿色船舶、绿色航运的大背景下，高能效船舶充满吸引力，其能更好地满足公约规范的环保要求，满足社会对节能环保的诉求，同时还可降低运营成本。在船型研发中，从船舶自身特性角度考虑，优化船舶的线型设计是降低船舶航行阻力最直接有效的方法。通过优化船型设计可以在一定的主机功率下有效降低燃料消耗率，提高船舶速度和载重量。

VLGC用途特殊，因此技术要求高、建造难度大，是一种代表当今世界造船技术水平的高技术、高附加值船型[1]。近年来，VLGC的船型开发和建造长期被日韩垄断，为了开发具有国际竞争力的船型，并为我国船厂赢得VLGC订单提供技术支持，采用数值计算与模型试验相结合的手段对VLGC进行线型优化设计研究。优化设计的船型具有阻力低、能效高的特点。结果表明，在相同收到功率下，优化设计的船型指标先进，油耗低，航速、功率指标达到了世界先进水平，为我国船厂成功承接VLGC的建造提供了技术支持。

1主尺度的选取

目前，公认的VLGC标准船型为上一代的78 500 m3VLGC和新一代的82 000~84 000 m3VLGC，新近交付的VLGC的舱容都超过了80 000 m3。日韩建造的超过80 000 m3的VLGC以及此处新开发船型的主要参数见表1。

表1　日韩建造的VLGC和新开发船型的主要参数

根据市场需求、航线要求、《国际散装运输液化气体、船舶构造和设备规则》(IGC规则)要求等确定VLGC的主尺度。我国VLGC船型的开发起步较晚，要在激烈的市场竞争中获取订单，新开发出的船型在技术、经济指标上必须达到甚至超过目前日韩船型水平。在满足总体及机舱布置要求的前提下，如何开发设计出低阻高效的优秀线型，在要求主机功率下达到预期的船速指标，是本项目面临的严峻挑战。

目前，船舶CFD(Computational Fluid Dynamics)方法已成为新船型开发设计中水动力性能分析和预报的重要手段。基于势流理论[2-3]计算船舶兴波阻力，得到全船波系形态、压力分布、速度分布等流场特性，指导船型艏部优化设计，基本能满足工程应用需求。随着计算机的计算能力和计算技术不断提高,粘性流体力学对船舶艉部流动的预报精度有了很大的提高[3]。因此，可以对船舶流场进行定性和定量的计算分析，得到螺旋桨盘面速度分布、艉部速度场、压力场以及边界层的分离情况，帮助线型设计师形成艉部线型优化设计思路，改进船舶性能。此处就快速性方面应用CFD方法对船舶阻力和艉部流场进行定性与定量分析，提出线型优化的方向和方案，逐步优化，寻求具有较佳流场特性和阻力性能的线型；同时，进行模型试验，对线型优化方案进行模型试验验证。

2线型优化设计

2.1初步线型分析

本船原型为经过前期优化的性能较为优良的船型，模型试验结果表明，该船型的船速无法达到要求的指标。项目以该船型为初步线型进行CFD计算分析与优化。

1) 采用势流理论对原型M0进行兴波阻力计算分析，数值计算结果表明，船身整体波形平缓(见图1和图2)，但肩部兴波相对明显，船体前部局部表面压力分布不均匀(图3)，在舯前15#~18#站舭部和肩部低压区较明显，艉部2#~4#站舭部低压区也较明显；结合该船型的模型试验结果进行分析发现，尽管该船的剩余阻力系数不大，但其线型在降低阻力方面还有优化的空间。

2) 应用粘性流体力学计算分析艉部流场，主要考察艉部是否出现流动分离、螺旋桨盘面的伴流分布情况以及流线的走势等。从压力分布和流线走势(图4)可知，艉部局部出现流动分离，有舭涡存在；考察桨盘面处的速度分布图(图5)可以看出，伴流分布较均匀。

图1　波形分布(上侧为M0，下侧为M1)

图2　沿船体纵切波分布

图3　船体表面压力分布(上为M0，下为M1)

图4　船艉压力分布和流线走势(上为M0,下为M1)

2.2线型优化

本船设计航速对应傅氏数Fn=0.19，兴波阻力在总阻力中占有相当的比例，艏部利用球艏波系与船体波系产生有利干扰，波系峰谷叠加，总波高降低，从而减小兴波阻力[4]。数值计算结果和模型试验都表明原型M0船身波形平缓，球艏波系与船体波系产生有利干扰。因此，优化时基本保持原船型M0球艏长度和纵向轮廓不变，对艏部横剖面形状进行优化，主要改善低压明显的区域，使船体表面压力分布变得均匀，降低压阻力。

针对艉部线型，重点改善2#～4#站区域内舭部压力分布，减小艉部压力梯度，降低粘压阻力，并进一步改善艉部流态，使其更有利于螺旋桨的工作，以进一步提高船舶的推进效率。

最终优化方案M1的CFD计算结果表明，船身波平缓，船艏肩波明显改善(如图1和 图2所示)，艉波峰有所减小，船体表面艏部和艉部低压区域明显改善(如图3所示)，整个船体表面压力分布更加均匀，艉部压力梯度减小，螺旋桨盘面伴流场更加均匀(如图5所示)。

3船模试验研究

对最终优化的线型进行模型试验，设计吃水状态波形与数值计算结果吻合较好，整个船身波形平缓，艏部无破波现象；试验结果表明，剩余阻力系数下降明显(见图6)，总阻力系数降低7%左右，由于优化线型M1的湿表面积比原型M0增加了1%，总的减阻效果约达到6%；艉部流态较好，船身效率较高，在设计航速附近，推进效率提高近4%，收到功率降低近10%，即总体能耗降低近10%。在90% 主机连续输出功率下，考虑15% 海上风浪裕度，该船服务航速达到16.85 kn。

压载吃水试验时，艏部有顶水现象，船身波形变差，剩余阻力系数较设计吃水有所增加，仔细分析船型特征和模型试验现象发现，设计吃水的波形平缓顺畅，而压载时艏吃水处艏部进流角较大，艏部顶水，形成较大的首波，且有首波破碎现象，剩余阻力系数较大。为探求压载浮态对航行性能的影响，基于目前CFD理论方法还较难解决纵倾优化问题[7]，考虑适当调整压载吃水浮态，设计4个可行方案，进行不同纵倾吃水的模型试验研究。在设计航速时，剩余阻力系数随纵倾角的变化曲线见图7。

图6　设计吃水状态剩余阻力系数比较曲线

图7　压载剩余阻力系数随纵倾角变化曲线

从图7中可以看出,船舶剩余阻力随着纵倾的增大呈递减趋势，当纵倾到一定程度时，阻力降低幅度减小，在其他船型的纵倾试验中还发现,纵倾达到一定程度，阻力反而增加，因此存在阻力最小的最佳纵倾。当然，在工程实际应用中首先要考虑实用性，在此基础上尽可能选用阻力较小的纵倾状态。

4结语

1) 基于CFD 数值模拟技术研发的VLGC线型，船舶阻力低，艉流场均匀，推进性能好，设计状态快速性能优良，能耗低，航速功率指标达到了世界先进水平，为我国承接VLGC的设计和建造提供了技术支持。

2) 采用势流理论计算分析能直观地显示出运动船体周围的流场、波形、压力分布等水动力特性，是目前及未来船型优化的重要手段。在船型优化过程中，不只看波形是否有明显改善，船体表面的压力分布对阻力也有重要影响。波形平缓、船体表面压力分布均匀的船型，减阻效果明显。

3) 合理地调整压载吃水的纵倾值能有效改善压载状态的阻力性能，降低能耗。鉴于目前主要依靠试验手段进行纵倾优化，发展基于CFD计算分析技术的船舶纵倾优化是未来船型优化技术发展的一个方向。

参考文献：

[1]顾俊，王凡超.液化气运输船温度场分布研究及钢材匹配[J].船舶与海洋工程，2012(4)： 1-5.

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[3]Larsson L, Raven H C. Ship Resistance and Flow [M]. The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2010.

[4]李世谟.船舶阻力[M]. 北京： 人民交通出版社，1989.

[5]高斌. 超大型液化石油气船线型研制[J].上海造船，2011(4):12-16.

[6]胡平，管凤武，葛明臣.5 000 m3全压式LPG船快速性试验研究[J].上海船舶运输科学研究所学报，2011，34(2):91-94.

[7]Sherba S, Duan W Y. Ship Trim Optimization-Assessment of Influence of Trim on Ship Frictional Resistance[C]. Shanghai: The 7th International Workshop on Ship Hydrodynamics, 2011.