集装箱船球鼻艏改型设计方法

周 敏

(上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155)

集装箱船球鼻艏改型设计方法

周 敏

(上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155)

文章利用CFD数值模拟仿真计算，对主动降速航行后的集装箱船进行球鼻艏改型设计，并将计算结果通过船模试验进行验证，使船舶球鼻艏改型后的综合阻力降低5%。

球鼻艏;改型；综合阻力；CFD

为应对长期低迷的航运市场以及国际社会节能减排要求，航运公司千方百计地降低已经营运船舶的能耗，行之有效的方法之一是集装箱船主动降速后进一步开展球鼻艏改型工程。

1 球鼻艏改型设计方法

1.1 CFD模拟计算简介

影响船舶阻力的因素很多，原因也非常复杂,本文没有考虑船舶纵倾调整[1]及其它因素对总阻力的影响，仅将船体在水平正浮状态下航行时的综合阻力作为单一设计指标。笔者将围绕船体的流场划分为不同的区域，针对不同区域采用相应的CFD计算，获得实船总阻力预测值[2]，最后通过船模试验对CFD模拟计算结果精度进行验证。如图1。

图1 船体周围流场划分及计算

以某型6 600 TEU集装箱船为例，其总长为285.80 m，型宽为40.00 m，型深为24.60 m，设计吃水为12.00 m。首先需确定原球鼻艏的切割位置，为了节省改型成本，首次切口位置相对靠前，如图2中切割线1所示。如图3所示，将球鼻艏的长度、宽度、高度和形状等设计参数在原球鼻艏线型基础上按照步长沿X、Y、Z方向分别递增或递减形成新的球鼻艏特征参数，见表1。将原球鼻艏线型最前端向后9.00 m作为原始球鼻艏长度，新球鼻艏长度Xb在7.0～11.00 m的范围内以0.50 m的长度变化；原球鼻艏线型最前端处的高度值为11.54 m，新球鼻艏最前端的高度值Zb在10.40～12.00 m范围内以0.20 m的长度变化；特定横剖面处距基线某高度处的球鼻艏线型班半宽值为Y1、Y2，原球鼻艏线型的Y1、Y2值设为0，新球鼻艏的Y1、Y2值的范围在-1.00～+1.00的范围内以0.20 m的长度变化。然后利用NAPA软件根据新生成的特征参数Xb、Zb、Y1和Y2自动生成球鼻艏型线并进行曲面光顺[3]，然后再将建好的三维模型导入StarCCM+软件进行CFD数值模拟计算。因船体沿中线面对称，故只需对一半船体进行建模。CFD计算域设定为船首向前1个船长，船尾向后2个船长，左舷1个船长，水面上下各1个船长，计算域中划分的单元数量约180万个。

图2 球鼻艏切口位置

图3 球鼻艏特征参数

表1 球鼻艏特征参数变化表 m

1.2 CFD数值模拟计算船舶工况点的确定

将船舶的航速划分成4个区段，如表2所示，每个航速区段输入CFD软件进行模拟计算的代表航速分别为17.0 kn、19.0 kn、21.0 kn和原设计航速25.6 kn；船舶的航行吃水也划分成4个区段，CFD数值模拟输入值分别为9.00 m(75%设计吃水)、12.00 m(100%设计吃水)、13.25 m(110%设计吃水)以及14.50 m(结构吃水)。假设i代表航速分组，j代表吃水分组，范围均为1～4，则船舶航行的全部工况由16个工况点表示，每一个工况点下的船舶阻力设为R(i,j)。每个工况的实际航行时间占全部航行时间的百分比用T(i,j)表示，由船东根据长期记录及经验汇总提供。

表2 船舶各工况实际航行时间占全部航行时间百分比统计表

1.3 最优球鼻艏方案筛选

利用船舶改型后的多个速度工况点[4]的综合阻力值对球鼻艏方案筛选，初始筛选时可以选取单一工况点，然后再逐步增加计算工况点的覆盖范围，最终的方案将计算全部16个工况点，用以评估节能效果。以6 600 TEU集装箱船为例，首批筛选工况点为吃水12.00 m、航速19.0 kn工况下的综合阻力R(2,2)，可以发现该工况下球鼻艏阻力性能改善的趋势为长度Xb增加，球鼻艏最前端高度Zb降低。然后分步骤增加计算R(2,1)和R(2,3)不断淘汰较差方案，待筛选剩余方案数量下降到个位数时，选取表2中航行时间占到了总航行时间的54%的4个具有代表性的工况，计算R(1,2)、R(2,2)、R(4,2)以及R(1,4)的综合阻力，来确定最佳球鼻艏方案。最后对该最佳方案16个工况点的全部阻力进行CFD计算，得出各工况下新旧船型阻力变化百分比，判定该次设计是否达到设计指标。

设计结果显示按照图2中切割线1设计出的球鼻艏最佳方案的CFD数值模拟计算结果综合阻力仅下降了3.7%，未达到5%的设计要求。故重新调整切口位置到图2中的切割线2，使换新部位沿纵向长度扩大4.05 m，回到初始设计起点，最终CFD数值模拟计算结果综合阻力如表3所示，相对原船下降了5.9%，相当于每天少消耗燃油3.8 t，达到球鼻艏改型设计要求。

表3 球鼻艏在切割线2位置改型后16种工况阻力变化汇总表

1.4 船舶阻力分析

6 600 TEU集装箱船球鼻艏改型后的船体阻力模拟计算预测值显示，在高于20.0 kn的航速范围内，吃水越深船舶阻力越大，在低于20.0 kn的航速范围内，吃水越浅阻力越大。球鼻艏改型后，船舶在低于设计吃水12.00 m时比高于12.00 m吃水时船体阻力下降更加明显。同一吃水条件下，航速越低，球鼻艏改型后船体相对于原船阻力下降越明显，即使当船舶处在原设计工况(吃水12.00 m，航速25.6 kn)时，裸船体CFD数值模拟阻力计算值也比原船略小，完全满足船东增加阻力不超过1.5%的设计目标要求。

1.5 船舶波形分析

6 600 TEU集装箱船球鼻艏改型后，通过CFD数值模拟计算显示，得到如下结论：①当船舶以16.0 kn航速航行时,9.00 m吃水相对于12.00 m吃水工况下的波形前肩更加陡峭，这是由于9.00 m吃水时球鼻艏不能完全浸没，水流流线越过球鼻艏产生较高的兴波。②当船舶在25.0 kn航速航行时，9.00 m吃水以及12.00 m吃水工况下船舶的首波高度差异并不明显，但12.00 m吃水的尾波波高要明显高于9.00 m吃水，这是因为吃水越大尾封板浸没在水中越深，尾涡对船体产生的拖拽影响越明显，由此产生的尾波也越高。③当船舶以19.0 kn航速航行时，在9.00 m吃水状态下，球鼻艏改型后的首波波高相对原船显著降低，合成波高也有所降低，且波形更为平缓；在设计吃水12.00 m状态下，新球鼻艏完全浸没在水中，其首肩部兴波的高度不仅相对原船首肩部大幅降低，而且相对自身吃水9.00 m、19.0 kn航速的工况也有显著降低。

2 CFD数值模拟阻力预测结果精度

首先对原船线型进行CFD数值模拟计算，将计算值与原船船模试验结果进行对比，初步评估CFD数值模拟计算的误差范围，并根据误差对模拟计算进行一定程度的修正。然后将CFD数值模拟计算获得的最终球鼻艏线型制成船体模型，进行船模试验，将球鼻艏改型设计后的船模试验值与CFD数值模拟计算值进行对比，验证CFD模拟计算值的精度。如图4所示，包含了2%舵阻力的船模裸船体阻力与CFD数值模拟计算阻力预测结果相当吻合，从而验证了CFD计算的精度。

图4 CFD计算结果与船模试验结果对比

3 球鼻艏改型后对船舶稳性的校核

球鼻艏改型后的船舶性能必须通过船级社审核，其审核的指标主要为船舶总纵强度、船舶初稳性高度GM、船舶的吃水。6 600 TEU集装箱船球鼻艏改型后的性能计算通过NAPA软件进行，由于球鼻艏改型后的质心变化相对于全船质心为一个小量，其改型前后总纵强度计算结果相差不大，满足规范要求。球鼻艏改型后船型略微变胖，排水体积变大但自重增加不明显，船舶的稳性和吃水满足船级社规范要求。

但如果球鼻艏改型后变瘦，排水量变小，若要确保船舶稳性则需要调整船舶装载手册中的压载布置。以另外一艘4 250 TEU集装箱船为例，该船总长为246.00 m，型宽为32.25 m，型深为19.30 m，设计吃水为11.00 m。 如表4及表5所示，改型后球鼻艏的自身质量增加了14.62 t，排开水的质量下降了155.2 t，两项相加造成球鼻艏改型后在结构吃水(12.60 m)状态下浮力损失达16.98 kN。 如果要在保持原设计载重量不变的前提下确保结构吃水不变，就只能减少船舶的压载水总量，并相应调整压载水的布置，但由于减少的压载水质心位置比原船质心低，这样调整势必会造成全船质心随之提高，造成GM值下降，导致船舶稳性恶化。设计过程中4 250 TEU系列集装箱姊妹船球鼻艏改型后GM值均有所下降，但大多数姊妹船GM值略大于船级社0.50 m的最低要求，仅有一艘船因为完工状态略有差别，GM仅达到0.49 m，最终通过增加过渡工况，就是满载离港船舶在航行一定距离后必须要对船舶的压载重新调整，才能满足船舶继续航行时的稳性要求，使得GM重新达到0.50 m以上。故在球鼻艏改型方案设计时就要考虑到新球鼻艏的浮力损失问题，以便综合权衡船舶阻力性能和其它性能的关系，确保改型设计获得最终成功。

表4 球鼻艏及空船质量、质心表

表5 球鼻艏改型前后船体排水量 t

4 结束语

本文详细介绍了集装箱船球鼻艏改型设计方法，该方法具有较高的工程精度。在2年多时间，船厂采用该设计方法改型的集装箱船总计18艘。通过实船球鼻艏改型前后较长时间的实测油耗检测统计对比，船东认为达到了预期的节能效果，对球鼻艏改型设计表示满意。

[1] 车霖源，陈昌运，马卫星，等. 5668TEU集装箱船球鼻艏改造节能[J]. 中国航海，2015，38(2)：109-121.

[2] 郑小龙，黄胜，尚秀敏.基于CFD的船舶阻力预报方法研究[J].江苏科技大学学报，2014，28(2)：109-113.

[3] 胡春平，黄金峰，冯佰威.基于变换函数的船体曲面参数化修改技术研究[J]. 武汉理工大学学报，2013，37(2)：377-380.

[4] 陈红梅，熊小青，吴琼,等. 超巴拿马型集装箱船球艏型线优化研究[J].中国造船，2015，56(1)：80-85.

After container ship reduced the actual sailing speed,bulous bow retrofitting design will be carried out based on computational fluid dynamics numerical simulation calculation.Through ship model test to verify the accuracy of the design result,the ship comprehensive resistance is reduced about 5%.

bulbous bow;retrofit;comprehensive resistance;CFD

周敏(1971-)，男，湖北武汉人，高级工程师，硕士，主要从事船舶修理、改装及建造工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.004

2016-06-15