基于流场仿真的中型邮轮艏型适应性分析

李雷雷，徐伟，曾志刚

(武汉长江船舶设计院有限公司，武汉 430062)

邮轮无论是设计还是建造都有极高的要求，并且非常重视外观视觉，目前在航邮轮多数采用球鼻艏船型，在保证节能的同时，艏部水线以上大幅外飘，可提供足够的甲板面积，减少甲板上浪，增加适航性，同时形成动感飘逸的外观造型。随着邮轮造型设计理念的变化及环保要求的不断提高，邮轮船型设计在提升船舶性能的同时，也需开拓新的造型方案。国际上直型艏、后倾艏已经越来越多地应用于小型邮轮设计，出现了更加新颖的船型方案。在当今节能减碳的大环境下，从邮轮船型的发展态势来看，环保节能化是趋势，相对普通运输船舶，邮轮设计航速相对较高，全船能耗也相对较大，船型节能更加重要。球鼻艏船型在各类运输船型上的应用非常广泛，直型艏船型近年来也得到了快速发展，主要源于货船在主尺度不变的前提下载重量不断增加，船型趋向于更加丰满，而航速指标要求没有降低，追求单位载重量营运经济性的市场需求。国内公开发表的直型艏研究报道有关于低速肥大船型，直型艏在减小船舶兴波阻力、破波阻力、黏压阻力方面均有效果；直型艏散货船在波浪中有优秀的阻力性能表现；还有江海直达散货船的直型艏船型设计的水动力效果。中型邮轮船型特征及航速要求与低速肥大船型有较大差异，为分析中型邮轮对直型艏及球鼻艏船型的适应性，基于某型5万总t级邮轮设计，应用CFD流场仿真方法，对不同艏型的流场及性能进行分析比较，并针对直型艏船型，在分析其减阻原理的基础上，重点对水线长及横剖面形状的影响进行不同设计方案的分析，找出较优船型，为新船艏型设计提供支持。

1 船型基本情况

目标邮轮为1艘5万总t级中型邮轮，主尺度参数以及航速、排水量要求见表1。

表1 目标邮轮主要参数

统计百余艘现有在航邮轮数据资料，3万～7万总吨范围内的中型邮轮普遍在0.20～0.25之间，目标船型也在该范围内，属于中速船。该航速范围内船舶兴波阻力成分相比低速船更大，采用球鼻艏球船型可以通过球艏波系与船体的波系产生有利干扰，波峰波谷叠加，降低总波高，减小兴波阻力。

目前在航中大型邮轮球鼻艏形状多采用长球艏，并且由于对操纵性和振动噪声有极其严格的要求，推进器普遍采用吊舱推进，为了适应推进器尾型通常采用底部较为平坦的方尾，部分邮轮还设有尾呆木。目标邮轮约为0.22，推进方式为吊舱推进，因此选取现有某长球艏方尾邮轮船型设计为母型。参考该母型完成目标邮轮球鼻艏船型设计方案BF1见图1。

图1 球鼻艏船型设计方案BF1型线

2 直型艏对比方案设计

根据邮轮近年来的发展趋势，新建邮轮为了更高的适应性，比如,减小吃水以适应更多的港口等，部分邮轮的设计向丰满发展，采用直型艏船型可以降低船体方形系数，改善船体表面曲度，改善性能。理论上直型艏水线长越长、越利于降低，船体表面流场越平顺，对改善兴波及黏性阻力越有利。但是水线长增加却会造成湿表面积的增加，而船舶阻力又与湿表面积成正比。因此，水线长的长度不同，直型艏的阻力水平将会有很大差异。

为研究不同水线长对直型艏船型性能影响，对2个不同水线长方案设计直型艏线型，对比其流场及阻力差异。考虑到邮轮布置及造价的影响，将水线长取值限制在目标邮轮原总长范围内。

以球鼻艏船型方案BF1为基础，水线长取230.6 m，(型宽30.0 m，设计吃水6.8 m)即艏柱前端取球鼻艏前端位置，设计直型艏方案ZF1，见图2。

图2 直型艏船型设计方案ZF1

为保持对比的合理性，保持BF1方案与ZF1方案尾部型线不变，即0站～16站线型完全相同，从17站开始首部线型不同。对于无球艏方案，根据设计经验，该船型航速范围内U形剖面比V形剖面更佳，因此ZF1直型艏方案艏部采用U形剖面。由于直型艏艏柱前移，考虑到工程实际情况，艏柱前移会导致全船钢料用量略有增加，因此，ZF1方案排水量略大于BF1方案，船型方案的主要参数见表2。

同样以BF1方案为基础，水线长取236 m，即BF1方案的总长，设计直型艏方案ZF2，见图3。

图3 直型艏船型设计方案ZF2

ZF2方案线型在0站～16站与ZF1、BF1方案相同，从17站至艏部采用U形剖面，排水量比ZF1、BF1均略增大，见表2。

表2 船型方案ZF1、ZF2主要参数

直型艏的线型横剖面形状在水线以下借鉴球鼻艏设计可以兼顾球鼻艏船型的部分优势，在中低速货船上已经得到了验证，对于方形系数相对较小的邮轮船型,在相对较高航速下该设计的性能未见详细的报道。为此，基于ZF1、ZF2方案，改型设计出ZF3、ZF4方案。

其中ZF3方案与ZF1方案水线长相等、排水量相当，型宽、吃水不变，见表3。

表3 船型方案ZF3、ZF4主要参数

ZF3方案相比ZF1方案，在艏部17站以前部分剖面水线以下剖面呈球鼻状，水线处更尖瘦，水线以下更丰满，见图4。

图4 直型艏船型设计方案ZF3

同样，ZF4方案与ZF2方案水线长相等、排水量相当，见表3。ZF4方案相比于ZF2方案，剖面形状与球艏更加相似，见图5。

图5 直型艏船型设计方案ZF4

3 船型方案分析

船舶在水面运动的自由表面未知，采用重叠法计算船舶流场，不考虑船体兴波的影响。对于黏性流体流场计算，按照流体状态可以分为层流和湍流，邮轮实船航行中，达到了109级别，流场运动极不规则。因此，计算过程即使采用缩尺度模型，为保证雷诺相似仍需使用湍流模型。

BF1、ZF1～ZF4方案之间涉及到湿表面积的改变以及黏压阻力(即黏性阻力成分之一)、兴波阻力的不同。因此，仿真计算可以采用两种不同的技术途径：①使用理想流体计算对比不同方案之间的兴波差异，再使用叠模法计算对比不同方案之间的黏性阻力差异；②使用带自由液面的黏性流场仿真，同时对黏性阻力和兴波情况进行对比。为减少计算次数，本文采用后者。湍流模型采用SST k-ω模型，边界层近壁面问题采用壁面函数方法处理，根据经验将值控制在30～100范围内可以保证较好的计算精度。自由液面采用界面捕捉法中应用比较广泛的VOF多相流模型来模拟。计算域大小为：船前约1倍船长，船后约2.5倍船长，侧边及底部约1.5倍船长，顶部约1倍船长，为减小计算量采用缩尺度模型。计算总阻力与经验预报值相比相差低于5%，精度能够满足工程上船舶设计前期阶段评估要求。

分别对BF1、ZF1～ZF4这5个船型方案建立模型并进行仿真计算，水面兴波形态见图6。

图6 BF1、ZF1～ZF4船型方案水面兴波比较

由图6可见：ZF3、ZF4相比ZF1、ZF2，兴波更小；ZF1、ZF2艏部兴波远高于ZF3、ZF4，且在靠近船体中部区域形成了更多的波峰波谷；BF1在球鼻上方兴波高于ZF3、ZF4，低于ZF1、ZF2，但是在球艏后方兴波明显减小；BF1艏部波峰波谷数量比ZF1、ZF2、ZF3、ZF4均少，靠近船中部水面更加趋于水平。ZF2相比ZF1水线长增加，艏部兴波高度也相对降低；同样ZF4水线长比ZF3长，艏部兴波高度也低于ZF3。

5个方案流线见图7。

图7 BF1、ZF1～ZF4船型方案流线比较

根据图7可以看出，相比ZF1、ZF2，ZF3、ZF4流线更加平顺，BF1则因为球艏的原因，局部有流线偏转。

5个方案静水阻力仿真计算结果见表4。

表4 静水阻力仿真结果对比表

由表4可知，不同水线长的直型艏方案有明显性能差异，ZF2相比ZF1水线长增加，湿表面积增加，摩擦阻力同时增加，但是剩余阻力明显下降，并且总阻力及总阻力系数大幅下降，达到10%左右水平。对于不同横剖面形状的直型艏方案，横剖面采用球艏形状的ZF3、ZF4相比横剖面采用U型剖面的ZF1、ZF2，湿表面积增加了，摩擦阻力系数降低了，摩擦阻力是增加的；但是剩余阻力明显下降，总阻力也相对小。直型艏船型方案中，水线长相对较长且采用球艏形状横剖面的ZF4最优。

球鼻艏船型BF1在剩余阻力方面有明显的优势，且由于湿表面积不大，总阻力比直型艏船型ZF1、ZF2、ZF3、ZF4均小。直型艏中性能最优的ZF4与球鼻艏BF1相比，排水量增加约0.3%，湿表面积增加约1%，模型总阻力系数增加约0.6%，模型阻力增加约1.6%。

球鼻艏在航速较高的瘦削船型方面减阻效果主要体现在兴波阻力方面。结合前述计算，分析认为：由于相对较高，兴波阻力影响较大，目标邮轮采用球鼻艏方案可以充分发挥减阻优势，阻力最佳。但是同时，采用较长水线长具有球艏横剖面形状的直型艏也有较好的性能。水线长增加，因为湿表面积增加造成了摩擦阻力的增加，但是由于降低了且平缓了进流段线型曲度，减小了黏性阻力；并且采用球艏横剖面特征，兼顾了球艏的优势，对降低兴波阻力也十分有效；但是由于相对略高，直型艏在降低兴波阻力方面不如球鼻艏方案，总阻力略高于球艏方案。对于中型邮轮，如果出于造型需要，也可以考虑使用直型艏船型，结合造型进一步优化水线长等参数提高阻力性能水平。目标邮轮基于该结论，综合考虑各方面因素，采用了球鼻艏船型方案。

4 结论

船型阻力受到尺度、航速、型线优化水平的影响，不同条件下，不同船型适应情况会有差异。针对中型邮轮船型较瘦削，相对较高的特征，根据5万总吨级邮轮方案船型仿真对比，得到结论如下。

1)在为0.22时，由于兴波阻力影响仍占有重要地位，邮轮应用球鼻艏船型在减小兴波阻力方面比直型艏有更明显的作用，球鼻艏船型兴波阻力比直型艏船型更小。

2)直型艏阻力水平受到水线长的影响较大，对于中型邮轮，采用较大的水线长可以降低，改善艏部线型曲度，降低剩余阻力，虽然由于湿表面积增加导致摩擦阻力增加，但水线长较长的船型总阻力更优。理论上应该存在一个最佳水线长，但是受限于目标邮轮的工程原因，并未找出最佳水线长。

3)在为0.22时，中型邮轮使用直型艏船型时，横剖面采用球鼻形状能够起到更好的减阻效果，比采用常规U形剖面减阻效果更优。