低速肥大型船缩短船长的可行性研究

蒋曙晖 马洪猛

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

近年来，航运市场持续低迷，造船行业受到很大冲击，新船订单大幅度下降，船价也陷入低谷。EEDI的强制执行对船型开发、创新节能技术等环节提出了更高的标准，现代化造船理念下的节能环保仍然对降低船型油耗有要求；另一方面，持续的低造价也促使设计方和建造方考虑降低船舶建造成本，以便争取到新船订单，而缩短船长是降低船舶成本的有效方法之一。

本文以一艘低速肥大型110 000 DWT油船为例，利用CFD计算分析方法，优化船长和线型，给出缩短船长的可行性方案，并通过模型试验加以验证［1］。

1 船长缩短

对于同一型船，船长的缩短可以有效减少船舶弯矩、空船自重以及建造和营运成本。船长不但与船舶的造价成本呈正相关，而且对船舶入级和检验、船舶营运费用等诸多因素产生重大影响。因此，在合理的范围内尽量缩短船舶总长，可以有效地降低成本，提升市场竞争力。

常规船舶的造价成本中，原材料费约占总价的四分之一，其中钢料费用约占七成。因此，降低钢料使用量是节约造价成本的有效方法，这在很大程度上取决于船舶主尺度的选取。船长是主尺度中最关键的因素，对船体重量的影响最大。从规范来看，船体外板和甲板的计算公式，均与船长有关，减少船长可以减小结构件尺寸，从而使船体钢料及舾装设备的重量减轻。因此，为了降低造价成本，在满足布置及性能的前提下，应尽可能减小船长。

船舶检验费的计算公式为F=N×C×K，其中：N为基数，影响N值的重要因素之一即为船长大小。另外，船长作为航道、船台、港口码头等外界条件的限制，关乎船舶在营运过程中被征收费用的额度。

同时，船长与船舶的阻力性能也有直接关联。船舶的阻力主要分为摩擦阻力和剩余阻力两个部分。通常来说，相对于同一船型，在排水量和其余主尺度基本相同的情况下，船长越短，在同一航速下的船舶剩余阻力系数越高。但是，对于低速肥大型船，剩余阻力只占总阻力的一小部分，摩擦阻力是这类船舶主要考虑的要素。船长的缩短通常可以有效地减少船体湿表面积，从而减少船舶摩擦阻力，尽管剩余阻力会有所上升，但最终的总阻力有可能不变，甚至降低。这为此类船舶缩短船长的可行性研究提供了理论基础。

为研究这一方案的可行性，以110 000 DWT油船作为研究对象。其主尺度见表1。

表1 110 000 DWT油船主尺度

这一型船总长通常控制在250 m以内，原定方案总长为249.9 m，设计航速14.5 kn，在水池完成快速性的模型试验，性能较为优良；改型后船长缩短，主机功率保持不变，且设计航速仍需维持14.5 kn。船长缩短后，要满足载重量保持不变，在不改变船宽和吃水的条件下，需要增加方形系数。为使改型后的方形系数不至于太大，对性能产生较大影响，综合平衡后决定将船总长定为244.0 m，垂线间长定为240 m；尾封板到尾柱的距离设计为4.0 m。由于该船尺度较大，对尾部系泊布置影响不大，其最主要的影响是舵的布置，舵面积相比原定方案有所下降，而且长宽比减小，方形系数增加。这些对船舶航向稳定性都是不利的，所以改型后的船舶操纵性能也需要重点关注。

2 线型设计优化

2.1 初步线型设计

随着近年来线型设计技术的发展，对于低速肥大型船，直型首的线型特征往往能够获得更佳的阻力性能；同时，直型首船舶在风浪中航行时，因为运动而产生吃水变化导致对性能的影响相对带球首的船舶要小，所以该船在线型设计初期采用了直型首的线型设计［2］。

线型设计首先要将母型船的线型进行变换，以得到目标船的初始线型。变换过程中需要综合考虑目标船的主尺度、航速、螺旋桨叶梢间隙等因素。在对比分析相关船型的基础上，按照线型设计和船模试验积累的经验，对母型船的线型进行整体变换和局部修改。

改型方案的方形系数比原定方案要大，不适合直接由原定方案进行变换。所以该船首部的线型参考上海船舶研究设计院（SDARI）自主设计的优良散货船的直型首线型特征，尾部则参考了相近船型的线型特征。

2.2 线型优化

在初步线型的基础上，对其进行基于CFD的线型优化。主要包括浮心位置的优化以及首尾的局部优化。

此类低速肥大型船，黏性阻力在总阻力中比重较大，从性能角度出发的最佳浮心位置一般比较靠前，保证兴波阻力不至于过大的情况下，尽量减小尾部的形状阻力。另外，由于船型及布置的原因，此类油船到港工况经常会出现首倾的情况，对船舶正常航行造成不利的影响，这也要求浮心位置靠前为宜；为了调整浮态，保证安全和良好的快速性、操纵性，对浮心位置进行优化，在合理的基础上适当前移；同时，通过拉氏变换（Lackenby），优化全船的纵向排水体积分布。最终浮心位置优化为舯前3.5%。

首部线型调整综合考虑了舱容和性能，在U型母型的基础上，进行了少量UV度的优化，减少了船舶湿表面积，优化了兴波阻力；线型特征与舱容也有密切联系，船长的缩短使得舱容布置也更加紧张，在考虑货油舱保护水平的基础上，优化内壳型线，同时由于方形系数的增大，使得货油舱容可以满足设计要求。尾部线型则是基于满足主机布置的前提下优化的，舭部位置线型收缩，增加水线附近线型以保持排水量不变，通过CFD计算结果优化尾部伴流场，尽可能得使尾部螺旋桨盘面处的流场分布均匀，避免产生水流分离的现象。

最终改型后的线型方案，其设计吃水下湿表面积相比原定方案减小了1.1%。

2.3 舵设计

由于尾部长度缩短，布置空间受到限制，舵的可用空间受到很大影响。在综合考虑舵的各项参数及可拆桨的情况下，最大化的利用尾部空间，设计出半悬挂舵，见图1。舵叶可转动面积为56.5 m2，在设计吃水下，舵面积比为1.732%，相比同类型船偏小。为了能够提高操纵性能，舵剖面采用了HSVA的高升力翼型。

2.4 CFD计算分析

图1 舵布置图

表2 设计吃水的计算工况

为了验证改型方案的效果，分别对其进行了详细的CFD阻力计算及自航模拟计算。计算工况见表2。CFD分析主要采用商业软件StarCCM+，所有计算均在模型尺度下进行，缩尺比为1∶35。船模在数值模拟时被固定住，没有考虑升沉和纵倾；舵方案也加入了计算；螺旋桨采用SDARI自主设计的螺旋桨模型S105A，该桨参数与主机较为匹配，性能良好。计算结果见图2～图5。

图2 阻力计算船体模型

图3 自由水面波形（俯视）

图4 自航计算船体尾部模型

图5 自航计算船尾部流场示意图

从CFD计算结果可以看出，水面波形较为平缓，船模阻力CFD计算结果为36.4 N，对应剩余阻力系数为0.68×10－3，按照二因次方法换算到实船尺度有效功率为6 151.1 kW。从尾部流场可以看出，该船尾部流线较为平顺，没有出现明显的涡流，伴流较为均匀，性能良好。根据自航CFD结果计算出模型尺度下的推进效率为0.789，推进效率良好。

3 模型试验验证

3.1 快速性试验

改型方案的模型快速性试验内容包括设计吃水下的阻力试验和备用桨自航试验，试验模型缩尺比为1∶37.348 8。试验方案与原型方案的比较结果见图 6～图 7。

图6 剩余阻力曲线

图7 航速预报曲线

从试验结果可以看出，改型后的剩余阻力系数与原定方案接近，仍处于较为合理的水平。在设计航速 14.5 kn下为 0.702×10－3，对应实船有效功率为6 229.6 kW，与CFD预报结果非常接近。实尺度推进效率为0.75，改型方案的收到功率与原定方案相近，在设计航速附近差别较小，最终预报航速与原定方案基本一致，也能够满足指标要求［3］。

3.2 操纵性试验

为了验证该船操纵性能是否满足IMO MSC.137（76）决议的要求，还进行了模型操纵性试验。船模缩尺比为1∶67.917。试验在设计吃水14.5 kn的航速下，完成了IMO标准有要求的全部操纵性试验。试验数据结果见表 3～表 4［4］。

表3～表4结果表明，在舵面积偏小的情况下，该船的回转性能、初始回转能力、偏航纠正能力和航向保持能力仍然能够满足IMO的要求，且还有一定的余量，舵面积的减小未对该船操纵性能产生重大的影响。

表3 回转试验结果

表4 Z形试验结果

4 结语

本文尝试缩短低速肥大型船的船长，并基于CFD软件对线型进行优化设计，最后通过模型试验加以验证，得到如下结论：

1）在满足船舶各项性能及布置等需求的情况下应尽量缩短船舶总长，从而降低船舶建造和营运成本，提升市场竞争力。

2）对于低速肥大型船，在一定的范围内缩短船长，并保证快速性能不受影响是可行的。

3）采用高升力的舵剖面线型，能够有效提升船舶的操纵性能，减小舵叶布置的空间需求，从而使得尾柱到尾封板的长度减少存在可行性。

由于船长的确定涉及到许多方面，本文仅仅从性能和布置的角度出发，提出缩短船长的可行性，如果能够结合其他相关领域，例如相关港口的要求等，相信可以使得研究更加有意义。