小型渔政船线型及附体设计优化

李 纳，梁建生

(中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092)

0 引 言

为加强对近海和内陆渔业水域的监督管理，维护渔场生产秩序，保护水域生态环境，近年来国家批复建造了一批中小型渔政船。这批渔政船必要时可参与复杂水域的人命救生和船舶救助，对快速性要求较高，因此优化船舶阻力性能是中小型渔政船设计的关键技术之一。

渔政船为多附体船，影响其快速性的因素较多，如常规的艏艉形状和纵向体积分布等特征，此外尾鳍、呆木和支架的型式等也会对其阻力性能产生较大影响。本文对艏艉线型、船型系数、舭龙骨、艉封板等附体进行优化和对比，得出不同线型要素和附体特征对渔政船阻力性能的影响结果。

1 船舶线型

艏艉形状对船舶性能有影响，特别是小型渔政船方形系数小、艏部线型瘦削，对船舶的快速性和耐波性有较大影响，艉部线型的选择须考虑其与推进装置的配合。渔政船型线优化的方向是在满足稳性、快速性、耐波性的前提下对船舶主尺度和线型特征进行优化选择。

1.1 船首形状

船舶最前端部分，由龙骨线至船体顶部被称为艏部，其侧形具有不同型式，如垂直式船首、倾斜-垂直(斜直)式船首、倾斜式船首、球鼻艏等，其中斜直式船首、倾斜式船首和球鼻艏常用于渔政船，如图1所示。

图1 各种船首型式

斜直式船首是将船舶首柱在满载水线以上部分设计成前伸的型式，满载水线以下部分仍保留垂直式。斜直式船首有两大优点：一是使船舶满载水线以上的水线较为瘦削，从而有助于减小船舶在波浪中的纵摇和升沉运动；二是可增加船舶甲板面积，有利于甲板机械等设备的布置，比较美观[1]。

倾斜式船首将整个船舶首柱设计成前倾形式。倾斜式船首满载水线以上部分与斜直式船首基本相同，产生的作用也基本相同。但是，倾斜式船首满载水线以下部分不宜切去过多，否则会缩短水下部分的水线，对阻力性能不利。

球鼻艏是在满载水线以下的船首处加装一个球形突出体。在不同船舶上采用球鼻艏通常能取得减小兴波阻力、破波阻力和舭涡阻力等效果。对于弗劳德数Fr在0.27～0.34的中高速船，安装球鼻艏可降低兴波阻力；对于Fr在0.20以下的肥大型船，满载时球鼻艏可减小舭涡阻力，压载时主要是减小破波阻力。

在设计渔政船时主要根据阻力性能选择合适的艏部型式。我国目前建造较多的中小型渔政船对快速性要求较高，对于方形系数在0.45左右、Fr在0.40左右或以上的渔政船，选用球鼻艏线型不利于减小兴波阻力；对于Fr在0.32～0.35的渔政船，设置球鼻艏则能形成有利干扰而减小总阻力[2]。

1.2 船尾形状

船尾有3种常见形状：椭圆船尾、巡洋舰型船尾和方艉。

椭圆船尾的特点是艉柱取垂直型式，目前已被巡洋舰型船尾所代替。

巡洋舰型船尾的特点是将满载水线附近的艉部水线向后适当延长，相当于增加水线长度，有利于减小船舶的兴波阻力和黏压阻力。此外，船尾面积的增加有利于初稳性的增加，便于布置舵机等设备，同时对螺旋桨和舵有保护作用，可提高推进效率。

方艉的特点是将船尾端作成刀切式的平直状，各水线面的艉部形状接近方形，或成弧形方角。水面高速舰艇普遍采用方艉型式[3]。方艉的艉部纵剖线坡度缓和近于直线，这样可使水流大致沿纵剖线方向流动，减小高速水流的扭动和弯曲程度，从而减少能量损失、改善阻力性能。更重要的是方艉增加了船体的有效长度，有利于减小剩余阻力。方艉还可减少船舶航行中的艉倾现象。

另外，小型渔政船因吃水限制普遍采用双桨船型，而双桨配双艉的船型具有良好的阻力性能和推进性能，因此在渔政船上应用广泛。近年来随着公务船航速要求的提高，艉部线型进一步优化，在双艉船型的基础上，设计成导流艉鳍，提高了推进效率。

1.3 船型系数

渔政船设计初期考虑较多的船型系数是方形系数Cb和棱形系数Cp。方形系数主要受排水量影响，调整空间小；棱形系数则代表船舶排水体积沿船长方向的分布情况，对剩余阻力影响较大。因此，Fr较高的渔政船Cp适当取大一些[4]。

2 船舶附体

渔政船一般为圆舭中高速船，对船舶附体的设计有一定要求：在发挥效能的同时尽可能降低阻力影响。

渔政船常见附体包括舭龙骨、压浪板等，对船舶航行时的外部流场产生不同作用进而影响船舶总阻力[5]。

2.1 舭龙骨

舭龙骨作为固定式减摇装置，对称布置于船舷两侧舭部，其主要作用是增加横摇阻尼以减小船舶横摇，增强船体的耐波性和稳性。在设计合理的情况下，舭龙骨对船体阻力的影响较小，主要增加摩擦阻力，试验表明加装舭龙骨后船舶在设计航速附近总阻力增加约5%[6]。

2.2 压浪板

系列船模试验表明，压浪板可有效改善船舶的快速性能[7]。设置艉压浪板相当于增加船舶的有效长度，改善艉部的兴波阻力，因此在一定范围内随着航速增加，压浪板的降阻效果比较明显，但是在低速巡航状态下，压浪板引起的摩擦阻力所占比重较大，阻力收益不明显。

2.3 呆木

呆木，又称分水踵，用来保证船舶航向稳定性。大量船模试验和CFD仿真结果表明，呆木选取过大会带来阻力的急剧增加。

2.4 尾鳍

与普通双机双桨船相比，双机双桨配双艉鳍的船舶有较佳的阻力和推进性能。双艉船型后体较瘦削，有利于降低黏压阻力，同时改善船首的兴波情况。从推进方面来看，艉部设计成双艉型后，伴流分数增大，推力减额下降，推进效率提高。

3 实船分析

3.1 初始方案

近海渔政船的航速和吨位都偏小，以一艘长江口50 吨级渔政船为例，其总长为26.8 m，水线间长为25 m，型宽为5.8 m，型深为2.6 m，吃水为1.8 m，设计航速为12.5 kn，Fr为0.41，如图2所示。

图2 26.8 m渔政船型线图

型线设计主要从总体布置、稳性和快速性角度出发。横剖面采用外倾舷侧以改善初稳性和横摇角。外飘艏型既能减少艏部上浪，又具有美观性[8]。艉部采用直切方艉型，并放宽艉部线型，既为总布置提供充分空间，又使水线面系数增大，以改善船舶稳性、增大横摇阻尼、改善耐波性。艉轴设单排支架，艉部设分水踵和压浪板。

3.2 优化方案

随着渔政船航速的增加，对渔政船的快速性要求也在逐步提高。在初始方案的基础上进行优化设计，根据总布置需求，适当修改船舶主尺度，总长为31.2 m，水线间长为29 m，型宽为6.0 m，型深为2.6 m，吃水为1.85 m，设计航速为15.5 kn，Fr为0.48，如图3所示。

图3 31.2 m渔政船模型图

(1) 由于球鼻艏会造成较大的兴波阻力，而且没有形成有利干扰，因此艏部不设球鼻艏，水线以上采用前倾艏柱，水线以下采用局部垂直艏柱。

(2) 通过CFD 计算优化分水踵，改善分水踵去流段流场压力分布情况，减小黏压阻力。

(3) 增加细长型艉鳍，减小阻力，改善伴流。

3.3 试验结果

两船船型相似，比较单位排水量下的有效功率判定其阻力性能，表1为两船在相同航速下单位排水量的有效功率比较表。从表1可知：在相同航速下优化方案的单位排水量下的有效功率仅为初始方案的80%，快速性较原船有改善。

表1 初始方案与优化方案在相同航速下单位排水量的有效功率比较表

4 结 论

(1) 在对小型渔政船进行线型设计时，须根据Fr选择合适的艏部形状和艉部形状，特别是中高速渔政船，选取合适的球鼻艏对阻力性能优化有明显效果。

(2) 在对小型渔政船进行附体设计时，由于附体对阻力性能的影响较大，需选取合适的分水踵型式。采用细长型尾鳍和轴支架组合方案，以及设计合适的压浪板等，对降低船舶阻力进而降低能耗具有重要意义。