一种无压载水船型设计新思路

白 军，王鹏晖，洪碧光

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

一种无压载水船型设计新思路

白 军，王鹏晖，洪碧光

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

为解决压载水带来的海洋污染问题，学术界引入了无压载水船的新理念。首先，对当前国内外无压载水船型设计与开发的研究进展进行概述，并对其优缺点进行分析。然后，针对美国贯通流系统和日本V型船两大设计理念进行技术整合，提出了一种无压载水船设计的新思路，并对无压载水新船型的船型参数和水动力相关计算结果进行呈现。结果表明，新船型的设计，对无压载水船未来的研究之路具有一定的实际意义与参考价值。

无压载水船；研究进展；贯通流系统；V型船

0 引 言

为了有效控制船舶压载水污染所带来的危害，国际海事组织（IMO）于2004年通过了《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》[1]。同时，随着芬兰于2016年9月8日，向IMO递交了“公约”加入文书，压载水“公约”则正式达到了生效条件。“公约”将于2017年9月8日正式生效。在此大背景下，无压载水船的设计在业界也将被激发出一股新的研究热潮。当前，国外主流的无压载水船构想有3种：美国的贯通流系统[2]、荷兰的单一结构船身设计[3]以及日本的V型船身设计[4-5]，然而，国内只有少数研究院、大学院校对单一结构船体和V型船体的设计有一定的研究，尚无成熟理论被提出。本文提出的无压载水船设计新思路，是经过整合贯通流及V型船体两大系统，推出的一款更优化、更经济、更环保的无压载水新船型。

1 无压载水船研究进展

1.1 国外研究进展

1.1.1 美国贯通流系统

贯通流系统[2]（Though Flow System Hull），如图1所示，科研人员对其进行水池试验，结果表明，在保证无压载水的前提下，该船型不仅能保持良好的稳性，而且船底装有2条大型管道中海水自前而后流动产生的水流，对螺旋桨水动力性能也起到了一定的优化作用，既提高了航速又实现了节能减排。试验数据表明，贯通流理念下的无压载水船舶最多可以节省母船型7.3%的动力。

然而，该设计理念的缺陷包括了以下几点：

1）船体内部贯通的管路需要超高强度，同时大型化船舶则需要更大尺寸的管路，对船舶内部结构与设备的布局会产生很大程度影响。

2） 船舶处于不同的装载情况时，需要对自身的压载量进行调整。贯通流系统的设计无法实现船舶对不同装载情况下所需不同压载量的定量化与压载量切换。

3）在空载状态下，贯通流系统中管路可以实现全流通。然而，满载状态下，针对管路中流通海水的排空也是一个遗留问题所在。

1.1.2 荷兰单一结构船身

单一结构船身设计[3]（Monomaran Hull），如图2所示，该设计理念下的船舶已经在荷兰代尔夫特理工大学建造成功，其载重量为4 000 t，船速为14 kn，无压载水舱。从试航结果来看，基本上满足了无压载水船的标准。然而，其缺点是与传统船型相比，船体湿水面积有大幅度地扩大，船舷高度有所增加，最终导致船舶航行阻力也会有所增加，很难应用于大型化的船舶。

1.1.3 日本V型船身

V型船身设计[4-5]（V-Shaped Hull），如图3所示，通过计算机模拟实验数据表明，“马六甲型”无压载水船可减少其母船型25%的阻力，“最佳型”无压载水油轮可减少其母船型33%的阻力，实现了对航行过程中所需燃料量明显的节约。

不过，V型船设计的缺点表现在以下几个方面：

1）由于V型无压载水船对船体结构进行优化，需选用超强度钢材，因此，相对于传统VLCC来说，无压载水油轮的单船造价要高出其650万美元左右。

2）V型船身的设计，对于偏大型化船舶来说，需要更大尺度的V型船体，这样，船舶对航行水域水深也提出了更高的要求，适应于同吨位普通船型停靠、航行的浅水港口、航道、运河（例如巴拿马运河、苏伊士运河等），可能无法让V型船身的大型化船舶去靠泊与航行。

3）航行在水深相对较浅水域的船舶都会存在一定的纵倾值与下沉量，对于型深极高的V型船体来说，本就存在较大的吃水深度，再加上其自身特点，会带来比普通船型更明显的纵倾与下沉现象，增加船舶搁浅风险。

4）V型船设计在恶劣的风浪情况下，稳定性达不到要求，船舶的机动性能也受到了很大程度的制约。因此，船体内部还是配置有备用压载水舱以应对突发情况。那么，从严格意义上讲，其只能被界定为超低压载水船型，还是无法杜绝压载水污染的产生。

5）与传统船型比较，V型船体的设计，让船舶在满载状态下，推进效率有所恶化；此外，由于过大的船底倾斜度，给船舶的建造也会增加不少难度。

1.2 国内研究进展

1.2.1 结合单一结构船身理念的设计

2012年，徐峰等[3]选用了华东船舶设计院自主研发的35 000DWT级散货船作为母型船，将双尾鳍船型与单一结构船身设计理念进行结合，对灵便型无压载水舱散货船进行开发。研究结果表明，新船型在空载状态下的吃水和满载状态下的载货量，以及船舶稳性和耐波性，与母船型基本持平。但是，在恶劣海浪情况下，还需要加载一定量压载水以保证船舶安全，难以实现完全无压载水化。

2013年，汪敏等[6]继续选用灵便型散货船作为研究对象，结合单一结构船身设计理念，对其进行无压载水船型开发。同时，在徐峰研究成果的基础上，又进行了进一步的型线优化，并选用商业软件Fluent对粘性流场中航行的无压载水船型进行数值模拟。最终，计算结果表明，新船型不仅有效地降低了对螺旋桨直径的需求，而且又减少了空载状态下船舶排水体积，使得船舶阻力性能得到了优化。但是，自船中之后双尾鳍的设计导致货舱体积有了一定幅度的减少，载货量也会有所降低。

1.2.2 结合V型船身设计理念的设计

2010年，韦俊凯等[7]选用现有的V型无压载水船作为母船型，对其型线继续进行优化，同时，采用“加大船宽，增大型深”的方法，增加船底倾斜度。最终，提出了基于母型船横剖面面积曲线基本不变的V型无压载水船型线设计的变换方法，既满足了船舶排水量保持不变的要求，又实现了新母船型间浮性基本不变的效果。但是，在其余船型参数（如方形系数、船宽吃水比等）发生明显变化的前提下，船舶稳性、快速性等操纵性相关的水动力特性还并没有进行地有效的研究，设计方案的可行性还有待于进行进一步的验证。

2013年，陆屿[8]选用59 000DWG的油轮作为母船型，在其主尺度（船长、船宽等）保持不变的前提下，进行了NOBS型线设计[9]，设计出无压载水油轮，并且针对新船型提出了总布置设计方案和结构设计方案，使得新船型在各种典型工况下的浮态、稳性都足以满足相关的规范要求，新船型的船体重量较母船型也有所降低，可减少船舶的建造成本。反观船舶阻力，则较母船型存在大幅度的增加，增加比例大约为28.7%。

2014年，王琳[10]在V型船身设计理念的基础上，基于Freeship软件对无压载水船进行了型线设计，并采用SESAM软件对新船型的浮态、稳性和耐波性等方面进行了计算。结果表明，新船型在保证与母船型横剖面面积不变的前提下，上述各方面的性能较母船型都有所优化。不过，新船型由于船宽的增大，导致空船质量比母船型有了不少的提高，建造成本会有所增加。另外，针对新船型快速性、结构强度以及操纵性等几大关键方面的研究，还属于空白阶段。

2 无压载水船舶设计新思路

本设计思路集合了贯通流系统与V型船设计两大理念的优点，并且在两大设计理念的基础上，进行了一定程度的改造[11-12]。

2.1 V型船体部分

本文选用巴拿马型散货船[13]作为母船型，针对船体部分进行改造，其主要内容包括以下几方面：

1）V型船体的改造，将船体设计为“上U，下V”型，如图4所示。该船型的设计，不仅用以增加了船体上部的饱满度，又可降低对船体下部瘦削度的要求。

2）船首至船尾21个站位的肋板，如图5所示，从中可以直观地看出，船体的设计偏于V型化，但是并不需要达到V型船身设计理念中的大尺度。

2.2 贯通管路部分

针对管路部分进行改造，其主要内容包括以下几方面：

1）将上部2条纵向管路设计为微弧形，底部纵向管路和3条横向管路设计为直线形，同时，所有管路均处于压载水线以下的位置，见图6。

2）纵向管路的前、后管口处安装有传感器控制阀门，用以控制海水流进、流出；横向管路与底部纵向管路之间的连接部位装有压力传感器，用以实现船舶压载量的定量化，见图7。

3）纵向管路均设有内、外双层管壁，既加强管路强度，又让管路处于可收缩状态，来调整管路内海水的流通量，以实现不同装载状态间压载量的切换。针对于管路的收缩，采用内、外管壁间的空气填充压缩技术来实现内管径的切换，见图8。

4）纵向管路均分为前后两大部分，用以实现对船舶浮态的调整。对于横倾状态的调整，通过控制左右2条纵向管路进行不同程度的开放，实现2条管路间海水流通量差即可。对于纵倾状态的调整，通过控制纵向管路前后两部分不同程度的开放，让前后部分出现不同海水流通量，实现管路进、出口处的压力差即可。

3 计算结果及分析

在母船船型参数的基础上，利用相关经验公式，对新船型参数进行了计算。同时，采用CFD方法[14]，基于Fluent软件，对新母船型进行了粘性流场中的数值模拟，得出新船型的阻力及浮态相关数据，并且对航行于特殊水域（岸壁效应）下，新船型操纵性相关的水动力特性进行了分析。

3.1 船型参数

1）主尺度

新船型主尺度（船长、船宽、型深、吃水等）较母船型都有所增大；由于V型船体部分，所需钢板厚度的增加以及内部贯通管路的设计，导致空船载重量也有所增加，但是，船舶载货量保持不变，上述各参数值也完全符合相关规范要求。同时，利用尺度比参数[15]对主尺度进行量化，结果表明，新船型的结构强度与母船型也保持基本一致。

2）船型系数

由于船体“上U、下V”型的设计，导致新船型的方形系数、菱形系数、横剖面系数等较母船型都有所降低[11]，但是水线面系数有所提高。

3）稳性参数

新船型的浮心垂坐标、横稳心半径、初稳性高度、重心垂坐标较母船型都有所提高，横摇周期较母船型则有所降低。但是，各项稳性数据也依旧满足相关的规范要求[16]。

表 1 新母船主尺度参数Tab. 1 The main parameter of mother and new ship

表 2 新母船稳性参数Tab. 2 The stability parameter of mother and new ship

3.2 浮态及阻力数据

1）浮态数据

根据数值模拟的计算结果表明[12]，新船型的初始浮态属于尾倾，然而母船型的初始浮态属于首倾，这表明，新船型的初始浮态优于母船型。同时，新船型纵向管路前部收缩，可增加船舶尾倾；后部收缩可增加船舶首倾，也实现了对船舶浮态调整的有效性。

2）阻力数据

新船型总阻力较母船型有所降低，在不同航速下，降低的平均比例占母船总阻力值的6.58%。该结果也表明，新船型的快速性较母船型也有所优化。

3.3 岸壁效应分析

1）横向力数据

由于管路的分流效果，使得新船型船体周围流场的速度、压力分布较母船型都有所降低。在不同岸壁距离下，新船型所受横向力较母船型降低的平均比例可达30.39%。

2）转首力矩数据

不同岸壁距离下，新船型船体转首力矩较母船型降低的平均比例为35.20%。这充分表明，新船型在岸壁效应下的“安全距离”，会明显地小于母船型。

表 3 不同岸壁距离下新母船型船体转首力矩比较（Fr=0.074）Tab. 3 Comparing of the yaw moment in different distance to bank(Fr=0.074)

4 结 语

通过本文设计无压载水新船型的计算结果中，可以看出，新船型与母船型的船型参数保持基本一致[11]，并没有明显变化，满足相关实践的要求。同时，新船型快速性、浮性以及受限水域中的操纵性较母船型也都得到了一定的优化[12]。这表明，本设计新思路还是具有一定的实际意义与参考价值的。

然而，从国内外无压载水船型的研究进展中，可以看出，目前无压载水船型的设计与开发，仅有国外三大设计理念存在，国内研究工作者的研发工作只是基于国外三大理念进行的。同时，国内外针对无压载水船型的研发，也都只处于刚起步阶段，各种设计思路依旧存在自身的缺陷与不足，待优化的工作仍有很多。总体而言，作为一个新的研究方向，无压载水船型，从开发到应用还是需要很长的一段路要走，船界也应该在无压载水船型的研究方面加大投入力度，提高无压载水船型的适航性、安全性与经济性，使这项研究逐步地走向应用。

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[ 6 ]汪敏, 吴静萍. 一种无压载水船船型与阻力优化[J]. 船海工程, 2013, 42(1): 28–31.

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[ 8 ]陆屿. 无压载水型油船初步设计研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013.

[ 9 ]Shipbuilding Research Centre of Japan. The Ultimate Solution[D]. Non-Ballast Water Ships(NOBS). 2006(10):1–10.

[10]王琳. V型无压载水船型开发与研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2014.

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[16]胡威, 张高峰. SOLAS有关客船与货船概率破损稳性要求新规则的研究[J]. 上海造船, 2004 (2): 4–6.

A new ballast-free ship design scheme

BAI Jun, WANG Peng-hui, HONG Bi-guang
(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To solve pollution problem of ballast water, academia introduced the ballast-free ship theory. Firstly, gathers the latest research process of ballast water treatment systems at home and abroad, and analyzes their advantage and disadvantage. Then, fuses international advanced ballast-free ideas -American Though Flow System and Japanese V-Shape Hull,presents a new ship design scheme and its ship form parameters and hydrodynamic relevant computing results. The results showed that new ship design scheme can provide a reference for the future ballast-free ship study.

ballast-free ship type；research process；though flow system；V-shape Hull

U662.2

A

1672 – 7649(2017)09 – 0064 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.013

2016 – 11 – 15；

2016 – 12 – 16

大连海事大学重点科研资助项目(3132016360)

白军(1982 – )，男，硕士，讲师/大副，主要从事船舶操纵控制研究。