某客滚船主尺度变化对阻力性能的影响

　　摘要:[目的]从节能减阻方面对客滚船的主尺度比进行研究。[方法]利用模型试验和数值模拟的方法，研究船舶主尺度比(长宽比L/B、宽度吃水比B/T)变化对阻力性能的影响。[结果]结果表明，某700客位客滚船不同L/B方案之间的有效功率在较低航速时最大差异仅为150W，在较高航速时最大差异增大到1300W;不同B/T方案之间的有效功率在较低航速时最大差异为170W，在较高航速时最大差异仅为300W。[结论]研究发现：增大L/B值能够明显减小实船航速对应的模型阻力和实船有效功率;不同B/T方案的实船有效功率相差不明显。

　　关键词：客滚船;主尺度比;阻力性能;数值模拟

　　0引　言

　　客滚船(ROPAX)是用于中短途运送乘客、货物和车辆的一种重要交通方式。目前，国际上使用客滚船进行运输的区域主要集中在欧洲的波罗的海、北海、地中海、日本列岛之间和美国沿海地区，我国主要在渤海湾和南海使用较多。随着中、韩两国之间自由贸易协定的正式生效，两国之间密切的货物贸易和人员交流促进了高端客滚船市场的持续升温。然而在中韩航线上，目前运营的客滚船大部分是平均船龄约25年的二手船舶[1]。而HISFairplay数据库显示，2018~2019年间计划或者已经交付的客滚船仅有4艘。

　　针对中韩航线的市场需求，新型客滚船亟待开发。在客滚船的设计开发初期，主尺度的确定往往需要综合考虑车道长度、旅客数、载重量、港口条件、建造成本以及水动力性能等因素。在客滚船新船型的开发过程中，在主尺度满足船型开发任务书要求的范围内，认为可以适当调整主尺度来改进客滚船的阻力性能，减低油耗。齐翔等[2]基于数学船型，采用非线性规划算法对舰船主尺度进行了设计优化。

　　张恒等[3]以5100TEU集装箱船为研究对象，对该船主尺度影响船舶阻力性能的敏感度进行了分析;苏绍娟等[4]根据经验公式，运用优化算法对一艘多用途船的主尺度进行了初步的优化。从公开的资料来看，目前少有学者从节能减阻方面对客滚船的主尺度比进行研究。本文拟针对某客滚船，采用模型试验与数值模拟相结合的方法，在相同排水量的前提下，通过研究主尺度比变化对阻力性能的影响，试图寻找该类型客滚船主尺度比与阻力的变化关系，为今后该类型船舶的初步设计提供技术支持。

　　1研究方法

　　一直以来，船模试验是研究船舶水动力性能的重要手段，其良好的可靠性在业内已得到公认。但是，船模试验因成本高、周期长，使得其无法更多地参与到船舶设计前期对线型的研究中。近年来，随着计算成本的下降以及数值模拟技术的发展，船模阻力数值模拟技术已经在业内得到了普遍使用，其计算精度也相当不错[5-10]。在船模阻力试验中，针对阻力的测试并不复杂。因船模周围流体运动复杂多变，而船模阻力数值模拟是对模型试验中流动现象的仿真模拟，流动的复杂性导致船模阻力数值模拟具有一定的难度，因此其计算精度和稳定性仍有待进一步提高。

　　可见在船舶阻力预报方面，目前的数值模拟尚未达到完全替代模型试验的程度。客滚船的主尺度比对阻力性能的影响研究往往需要产生十几种不同主尺度比的船型，然后对这些线型进行阻力性能评估。如果都进行水池试验，这项研究的成本势必非常高昂。为了节省研究成本，本文研究所需的大部分数据由船模阻力数值模拟得到。为了增加数值计算的可靠性，对该客滚船的基本船型进行了模型试验，并将模型试验数据与数值模拟结果进行了比较。

　　1.1数值计算方法

　　船模阻力性能的数值模拟利用商业软件STARCCM+完成，计算时所使用的控制方程包括不可压缩流体连续性方程和动量方程。

　　1.2基本船型和变值参数本文以某新型客滚船为基本船型，通过变化船舶长宽比(L/B)和船宽吃水比(B/T)来研究这2个参数对船舶阻力性能的影响。

　　2船舶长宽比对阻力性能的影响

　　船舶主尺度(主尺度比)的确定需要综合考虑各种因素，例如布置要求、船舶水动力性能、经济性、航线及港口条件等，本节将仅从船舶阻力的角度对船舶长宽比L/B的选取进行初步探究。L/B表征船体的细长程度。在讨论该参数对阻力性能的影响时，该船的型排水体积、船宽吃水比B/T均保持不变。为不同L/B方案的主尺度比及湿表面积S变化情况。在速度较低的工况下，不同L/B方案之间的模型总阻力差异并不明显，但随着航速的增加，这种差异逐渐显现;在设计航速为21kn甚至更高速情况下，模型总阻力随着L/B的增大而明显减小。

　　3船宽吃水比对阻力性能的影响

　　∆船宽吃水比B/T表征船体的扁平程度。在讨论该参数对阻力性能的影响时，该船型的排水体积，L/B均保持不变。对不同航速下的阻力进行了数值评估。对比以上两图可以发现，在B/T变化时，客滚船模型阻力的变化趋势与实船有效功率的变化趋势有差异。导致该差异的原因是，在利用二因次换算方法进行实船有效功率换算时，实船与模型雷诺数不同，故二者的摩擦阻力所占比例也不同，实船摩擦阻力所占比例较模型小，剩余阻力所占比例较模型大。

　　在较低航速时，实船摩擦阻力占实船总阻力的比重依然较大，此时，选择较小的B/T(湿表面积较小)对阻力性能的提升更为有利。随着航速的增加，实船剩余阻力占实船总阻力的比例迅速提高(比模型尺度提升得快)，在较高航速下，实船剩余阻力占比较大，此时选择较大的B/T(修长系数较大)对阻力性能的提升更为有利。在客滚船的初步设计阶段往往关心的是实船有效功率，本文建议从实船有效功率的角度出发，根据实际设计情况合理选取B/T值。

　　船舶论文投稿刊物：《船舶工程》由中国造船工程学会主管主办，国际刊号ISSN：1000-6982;国内刊号CN：31-1281/U，邮发代号：4-251。该刊被以下数据库收录：中国科学引文数据库(CSCD—2008)核心期刊：中文核心期刊(2008)中文核心期刊(2004)中文核心期刊(2000)中文核心期刊(1996)中文核心期刊(1992)。

　　4结　论

　　本文以某新型客滚船为研究对象，利用模型试验与数值计算相结合的方法，研究了主尺度比变化对模型阻力和实船有效功率的影响，得到可为今后该类型船舶的初步设计提供参考的一些结论：1)增大L/B值虽然增大了湿表面积，增加了摩擦阻力，但有利于改善船体的兴波和表面压力分布，剩余阻力减小更为明显。客滚船为中、高速船舶，剩余阻力占总阻力的比重较大，增大L/B值能够减小模型阻力和实船有效功率。2)B/T在一定范围变化时，剩余阻力和摩擦阻力的变化存在着此优彼劣的关系，并且B/T的变化对2种阻力成分的改善不如L/B明显。在进行客滚船方案设计时，应该具体问题具体分析。对于与本文相当的客滚船，在较低航速时，减小B/T可望减小实船有效功率;在速度较高时，增大B/T可望减小实船有效功率;在设计航速21kn附近，不同B/T方案的实船有效功率相差不明显。

　　参考文献：

　　孙家鹏,张敏健.中韩航线客滚船设计特点及关键技术[J].船舶与海洋工程,2018,34(1):31–35,42.

　　SUNJP,ZHANGMJ.DesignfeaturesandkeytechnologiesofropaxshipforSino-SouthKorearoute[J].NavalArchitectureandOceanEngineering,2018,34(1):31–35,42(inChinese).[1]

　　齐翔,唐晓,齐欢.基于数学船型的舰船主尺度设计优化[J].船舶工程,2018,40(增刊1):13–15,109.

　　QIX,TANGX,QIH.Designoptimizationofshipmainscalebasedonmathematicalhulltype[J].ShipEngineering,2018,40(Supp1):13–15,109(inChinese).

　　[2]张恒,詹成胜,刘祖源,等.基于船舶阻力性能的船型主尺度参数敏感度分析[J].船舶工程,2015,37(6):11–14

　　作者：杨帆*1，郑敏敏1，陈伟民1，董国祥1，卢晨2