5 000立方米级LNG加注船线型开发研究

严孝钦，陈晓莹

(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 201201)

0 引言

随着全球变暖议题的日益升温，温室气体排放问题得到国际社会的广泛关注。国际海事组织(IMO)提出的船舶能效设计指数EEDI是为了衡量新造船能效水平，同时也为船东选择低能耗、低排放的绿色环保型船舶提供依据。天然气由于其热值高、不含硫、燃烧清洁、排放较低而成为未来绿色环保型船舶的首选燃料。

随着LNG作为船用燃料的推广，LNG燃料加注技术越来越受到国际社会的关注。与岸站—船加注方式和槽车—船加注方式相比，LNG燃料加注船—船加注方式具有机动性好、加注效率高、可大型加注和海上加注等优点，应用和发展空间十分广阔。目前，国内外船舶企业在LNG燃料加注船领域的技术储备较少。为适应我国能源发展和战略的需要，有必要开展LNG燃料加注船工程化开发研究，掌握LNG燃料加注船的设计和建造技术，以推动我国造船工业水平的提高，提升市场竞争力。

在初步分析LNG燃料动力船舶的政策环境、法律法规的基础上，结合国内各港口现状、通航及水文条件，对未来5年LNG动力船舶的发展预测分析后，推荐采用舱容为5 000立方米级的LNG加注船，并以此为目标，对船舶的主尺度、液货舱形式、加注设备、动力装置、推进方式等进行了分析探讨。本文主要针对此船的线型优化工作展开研究。

1 项目介绍及船型特征

在满足舱容要求的前提条件下，从提升船舶性能的角度出发，以船舶快速性为主要目标，兼顾操纵性和耐波性要求，考虑各主要港口的停靠条件，并综合系泊、加注等要求，初步确定此船的主要参数，见表1。

表1 主要参数表

从表1得知，Lpp/B=5.42，B/T=3.5。Lpp/B对剩余阻力影响较大，同时对耐波性和操纵性有一定的影响；而B/T主要影响稳性及阻力性能。本船设计航速对应的傅汝德数Fr为0.236，属于中高速船型。按照以往的设计经验，此船的Lpp/B较小，剩余阻力占较大比重；而B/T较小表明集中在水面附近的排水体积较小，湿表面积也较小，对兴波阻力和摩擦阻力有利，但B/T较小会导致初稳性高度减小，因此还需校核稳性是否满足要求。

2 线型设计

2.1 初步方案生成

依据线型设计准则和流程，按照目标船的船型参数Lpp/B、B/T、方形系数和设计航速V等，初步确定了艏艉线型均采用偏V方案，有利于减小兴波阻力；艏部设置球艏，以改善艏部流场，降低形状阻力和减少埋艏现象；艉部采用普通球艉并可考虑单艉鳍布置，使伴流更加均匀，以提高推进效率。通过研究此类型船的布置特点，确定浮心位置范围及排水量沿船长分布情况，并依此得到了目标船的初步线型方案。

在确定初步方案后，进行舱室划分、设备布置及规范校核验算，并对初步方案进一步调整。在确保满足稳性规范、货舱舱容和设备布置空间的前提下，对方案进行水动力模拟计算，完成对初步线型的评估，计算结果见图1和图2。

图1 初步方案波形分布

图2 初步方案船体表面波高分布

从图中看出，初步方案的艏部兴波较大，散波较多，艉肩部存在较大的波谷，船艉的起波也较明显；从流线上看，在艉部1～2站附近部分水流产生分离，某些区域甚至出现了倒流，进入螺旋桨盘面的水流不稳定；从数值结果分析，形状因子较大，超过正常范围的上限值，推力减额和伴流分数较大而敞水效率和船身效率偏低。初步线型需要进一步优化。

2.2 线型优化

2.2.1整体变换

经分析，初步线型浮心位置靠后，艉部线型丰满，艉肩部过度较生硬，桨前排水体积分布以及纵剖面斜率导致艉部流场不稳定，影响螺旋桨敞水效率及船身效率。

在初步线型的基础上，通过lackenby方法调整船体横剖面面积曲线SAC来实现纵向排水体积分布的变化。Lackenby变换可以改变船体浮心位置、方形系数、平行中体长度，还可以实现横剖面积曲线的形状变化。借助CFD工具对变形方案进行敏感性分析，发现该船型对浮心位置较敏感；同时，浮心位置受该船总布置要求、配载状态及机舱布置等几何条件的限制，经过总布置方案调整，确定其可改变的极限范围。Lackenby变换是在此范围内寻求满足限制条件且性能最佳的方案，最终得到的线型方案横剖面积曲线及波形图与初步方案对比分别见图3和图4。

图3 Lackenby变换前后横剖面积曲线对比

图4 Lackenby变换前后波形分布对比

从图中可以发现，浮心位置前移造成了艏部排水体积增加，艏部兴波变差；但艉部线型的改善极大地减小了艉部兴波和粘压阻力，伴流也更稳定。综合来看，在保持排水量不变的前提下浮心位置前移对总阻力性能有利。

2.2.2艏部优化

较高的航速决定了该船的兴波阻力在总阻力中占有较大的比重，因此艏部优化对于阻力性能至关重要。艏部优化主要集中在球艏的长度、宽度、高度、进水角、水线面形状、艏肩部的过度区域等。通过参数化建模实现对优化区域的参数控制，采用sobol算法寻找优化区域，再利用NelderMeadSimplex算法，设置200次的迭代次数，以兴波阻力作为目标参数，寻找最小兴波阻力值并最终确定最佳艏部线型。艏部优化前后的计算结果对比见图5和图6。

从对比图可以看出，艏部优化减小了船艏起波和随波，船侧波形更加平缓，船身压力也有所降低。从数值结果看，艏部优化使兴波阻力减小了10%。

2.2.3艉部优化

艉部优化是在满足机、桨、舵布置的前提下，使船体阻力和推进效率的匹配达到最佳，从而使该船的快速性能提升。根据初步方案的结果，针对性地采取了一些修改措施，如降低艉封板的高度；改变艉肩部的形状；调整UV型改变桨前船体排水体积分布等。同时，考虑采用不同的艉部形式，如鳍型球艉。艉部的优化同样先采用Sobol算法搜索优化区域，再用遗传算法NAGAⅡ深度探寻，设置10代遗传数量和每代27个种群数量，以船体总阻力和艉部伴流分数作为目标参数，在生成的艉部方案中选定艉部线型，并结合优化后的艏部线型，得到新的方案。经稳性计算及布置方案校核，满足所有限制要求，并将其作为最佳优化方案。优化方案与初步方案的CFD计算结果对比见图7、图8和图9。

图5 艏部优化前后波形分布对比

图6 艏部优化前后船身波高分布对比

经过整体变换和艏艉部优化，艏部兴波和艉部兴波都有重大改善，兴波阻力和剩余阻力降低；同时改善了螺旋桨的进流，艉部流场分布均匀，使螺旋桨与船体更加匹配，推力减额和伴流分数减小，船身效率得到提升。从数值看，优化方案在设计状态的阻力值比初步方案降低了12%，搭配盘面比为0.6的4叶桨，推进效率提高了3%，从而使螺旋桨收到功率降低了14%。

图7 初步方案和最佳优化方案波形分布对比

图8 初步方案和最佳优化方案船身波高分布对比

图9 初步方案和最佳优化方案艉部船体压力分布及螺旋桨伴流分布对比

3 模型试验

为了验证此船的快速性能，将最佳优化方案作为试验方案在瑞典SSPA水池进行了模型试验。SSPA模型试验结果见图10。

图10 SSPA模型试验结果

从试验结果看，此船艏艉波形较为平缓，艏艉肩部的波谷较小，艉部流线明显，进入桨盘面的水流稳定，伴流测定结果显示桨盘面处伴流均匀，呈现较为理想的分布状态。从数值结果上看，此船阻力低于SSPA数据库中的同类型船舶，推进性能优异，优化方案达到设计预期。模型试验结果与CFD计算结果对比见图11。

图11 CFD计算结果与模型试验结果对比

从图中可以看出，CFD计算得到的不同航速下的推进功率曲线与模型试验结果趋势相同，数值误差为2%～4%，证明CFD计算在精度上可以满足设计初期的性能预报要求。更重要的是，在优化过程中CFD计算结果可以作为方案优劣的评判标准，为线型优化指明方向。相比模型试验，CFD计算方便、快捷、成本低、耗费资源少、反馈迅速，在未来的船型优化设计中，随着CFD计算工具和计算方法的不断完善，完全有可能取代传统的试验方法。

4 结语

5 000立方米级LNG加注船项目是在选择合适主尺度、总体布置方案的基础上，通过整体变换、艏艉局部调整并结合CFD计算工具，搜索并得到满足装载要求和稳性要求的最佳优化方案，最终由模型试验验证达到设计预期。5 000立方米级LNG加注船项目的成功开发，其意义不止在于单个项目的成功，更是为LNG加注船这一新船型的开发设计提供了宝贵的经验。随着全球性运营船舶碳硫排放物新标准的实施，LNG燃料船需求将不断增长，LNG燃料加注船市场同样前景可期。