5万吨散货船型线优化及节能导轮设计研究

Vol.60 No.2 (Serial No. 230)2019年6月SHIPBUILDING OF CHINAJun. 2019文章编号：1000-4882 （2019） 02-0029-075万吨散货船型线优化及节能导轮设计研究苗飞，魏锦芳，黄国富，程红蓉（中国船崩科学研究中心 上海分部，上海200011 ）摘 要随着对船舶能耗和排放要求的不断提高，绿色船型的开发、创新型节能技术的应用日益受到航运界和造

船界的广泛关注.针对一型5万吨散货船，在满足排水量、总布置要求以及减少压载水总量的条件下，采用 计算流体动力学方法开展了线型优化.在最终优化线型的基础上进行了节能导轮的优选设计，提出了与船尾

适配的椭圆型导轮方案，进一步提高了船舶的能效.在水池开展了快速性对比试验，试验结果表明节能导轮

在设计点处具有4.3%的节能效果，且加装了节能导轮的船型方案快速性能优异，满足设计指标.关键词：型线优化；节能导轮；能效；散货船中图分类号：U663.34

文献标识码：A0引言我国港口水域具有多泥沙的显著特点，由于含沙量大，导致船舶压载舱沉积物大量沉淀，这些沉

积物会对船舶航速、载货量、能耗带来损失⑴。随着IMO压载水公约的实施，使得船舶压载水处理成 本不断增加；此外，为应对船舶能效设计指数（EEDI）对船舶节能减排日益严格的要求，船型设计也

朝着更加节能高效的方向发展［“】，这都为船舶减少压载水的船型优化设计带来积极的影响。国内大连

船舶重工集团公司与航运公司及船级社联合研发的“Clear Advantage'5系列油船采用了少压载水的船型 设计，可减少40%的压载水需求。日本名村造船宣称其设计的超低压载水VLCC船型已取得船级社的

原则性认可〔人当前，减少压载水的船型设计还处于研发阶段，但未取得实船上的进展。随着国家长

江经济带战略的进一步推进，载重量在2~5万吨左右的江海直达散货船将成为提升长江航运功能的一 大助力⑴，因此开发适合国内港口和水域环境的少压载水的节能船型是十分迫切和必要的。另一方面，随着船型优化设计技术的不断提高，在优秀船体线型基础上，获得良好节能效果的船

舶水动力节能方案越来越难，单一的节能手段已越来越不能满足绿色船舶的设计要求讯句，水动力节能

装置与船型的适配性设计就显得尤为重要。以一型近年来已建造并已经过型线优化的常规5万吨散货船为对象，在满足排水量、总布置等相

关要求的条件下，提出了减少压载水的船型方案，通过CFD方法开展了减少压载水总量的线型优化， 并在此基础上针对优化的线型方案了提出了与船尾适配性良好的椭圆形节能导轮方案，最后通过水池 模型试验验证了船型方案良好的快速性能。在减少船舶压载水需求的同时，给出了持续的水动力性能

改善，进而提供了一型绿色节能环保的5万吨级江海联运散货船水动力船型方案。收稿日期：2018-10-09；修改稿收稿日期：2019-06-0630中 国 造 船学术论文1数值模拟方法为了快速获得计算结果，进行多方案的比较，根据流动特点将船体分为两部分求解：第一部分采

用非线性兴波数值计算方法，计算兴波阻力和波形；第二部分使用粘性流数值方法获得船尾的流场〔％

船舶自航计算中不考虑自由液面的影响，釆用重叠模进行船体及螺旋桨的周围流动和水动力性能的数 值预报，并且认为节能导轮对船舶的兴波和兴波阻力的影响可忽略不计。1.1非线性兴波数值预报方法该方法假设受约束的船舶以速度“沿x轴的正向运动，0-护为固定在船上的直角坐标系，心平面

与静水面重合，z轴垂直向上。在O玄yz坐标系中流动为定常势流，忽略表面张力的影响，水域为无限

深，这样船舶绕流存在速度势0,设自由表明起伏为根据以上假设，则船舶绕流流场存在速度势0,且满足以下方程和边界条件：在流场中满足Laplace方程：V> = 0 (1)在自由面上满足运动学边界条件：4匚+必「-0=0, z = ^(x,y)

(2)此外，在自由面上还要满足动力学边界条件：丄z = $(x,刃

2g(3)在船体湿表面上满足不可穿透条件：0=0

在无穷远前方满足辐射条件：(4)0 = -\"x

船舶兴波问题就是求解上述定解问题。(5)1.2粘流数值方法假设流体是不可压缩的，控制方程包括连续性方程和动量方程, 连续性方程：当=0dxt(6)动量方程:2仏)+£_仏“)=坯+2V-----码气Su. —TT、(7)式中，P为密度，⑷是速度分量的雷诺平均值，粘性系数，P是压力。湍流模型选用SSTE-®二方程模型。2线型优化设计及CFD性能评估在满足载重量、总布置要求及航速指标的前提下，对某5万吨散货船进行了减少压载水总量的线

60卷第2期（总第230期）苗 飞，等：5万吨散货船型线优化及节能导轮设计研究31型设计及优化，并通过阻力和自航性能的CFD计算对优化的线型进行评估分析。主要针对首部进流段

和尾部去流段开展线型优化，以降低兴波阻力；同时优化尾部流场以降低粘压阻力和改善伴流，降低

螺旋桨所需收到功率［刃。相比原型，优化线型主要做了以下改动：（1）减小了肿剖面系数，增大了船宽，以满足减少压载

水总量的要求；（2）由球赠改为了直赭，首部平底宽度变窄，线型变瘦；（3）尾部1~4站的反曲点 下方线型变瘦，反曲点上方型线略微变胖。表1给出了设计吃水下的静水力计算结果的比较，从表中可以看出，优化线型的全船湿表面积降

低了 1.5%,方形系数也有所降低，这有助于减小船舶阻力。表1原型与优化线型在设计吃水下的静水力比较主参数原型优化线型主参数原型优化线型垂线间长厶pp/m195196水线面系数Cw0.9560.953型宽B/m32.2634棱形系数CP0.8630.849设计吃水T/m10.510.5排水体积叼nP5686156985方形系数Cb0.8610.814湿表面积S/m293129171中剖面系数Cm0.9970.959浮心纵向位置（Zcb/Zpp）/%2.742.14针对优化线型，通过CFD数值计算进一步地分析其快速性能。表2给出了设计吃水、设计航速下

优化线型方案的模型总阻力系数、模型总阻力和收到功率计算值与原型的比较。从表2可以看出，优

化线型的模型总阻力系数相比原型降低了 2.81%；考虑到湿表面积的变化，优化线型方案的模型总阻 力相比原型降低了 4.28%；从自航计算结果来看，优化线型方案的收到功率相比原型降低了 2.80%。表2设计航速下模型总阻力系数CFD计算结果比较参数1・ Gn/CtmORtaJRg1- Pta/PtmO数值/%2.814.282.80注：4和 ％分别表示模型优化线型和原型的总阻力系数，和亿嗣分别表示模型优化线型和原

型的总阻力，戸^和几聞分别表示模型优化线型和原型的收到功率。图1和图2分别给出了设计吃水、设计航速下两线型方案的舷侧波形图和自由面波形图。图1中％

为波型线上的波点距水平面高度，x为至船首垂线的距离。从图1中可以看出，相比原型，优化线型的 舷侧波形更加平稳，首波谷和船身波形有了明显的改善。从图2的自由面波形也可以看出这一现象。图3给岀了螺旋桨盘面处的伴流分布图。从图中可以看出，优化线型方案的平均伴流比原型的小,

而且其伴流分布也更加均匀，这有利于减少螺旋桨的激振。x / Lpp图1优化线型方案与原型的舷侧波形图的比较32中 国 造 船学术论文180*图2优化线型方案与原型的自由面波形图的比较图3优化线型方案与原型的桨盘面处伴流云图的比较针对5万吨散货船船体优化型线方案，进一步分析其尾部流场特征。图4给出了螺旋桨抽吸作用

下的船体靛部的表面极限流线。从船体表面的流线走向可以看出，船体附近的水流均是向螺旋桨盘面

方向流动的，且尾部去流角较小，说明该船尾部线型较好。图5给出了优化线型方案螺旋桨盘面处的

轴向速度分布（其中流线表征切向速度分布）。从图中可以看出，桨盘面位置处存在一对较大的涡区。

对于右旋桨而言，左盘面外半径的切向速度和右盘面内半径的切向速度与螺旋桨旋转方向相同，这对

提高螺旋桨效率是不利的；而在桨前加装预旋式节能装置（如节能导轮）在改善这一不利的进流的同

时还能产生一定的预旋；并且从涡区域的大小来看，对于提高螺旋桨的效率而言，前置预旋式节能装 置可以发挥较大的作用［切。图4船尾表面极限流线图5桨盘面轴向速度云图3节能导轮设计优选节能导轮（pre-swirl duct, PSV）通常由导管和导管内周向分布的定子叶片组合而成。对于节能导

轮而言，它的主参数包括导管长度及直径、导管扩张角、导轮安装位置、定子数量、定子展长、定子

安装角等，其设计参数一般可达到50余个。针对少压载水散货船的尾部线型特征及尾部流场特点，基

于CFD性能预报的方法进行了节能导轮的导管外形、定子安装角度等设计参数的优选设计及性能评估。

其节能效果的评估釆用了带与不带节能导轮的船后螺旋桨收到功率相比较的方法。最终优选的节能导轮方案采用半导管形式，导管呈椭圆形状（长半轴/短半轴=1.33）,导管内左

舷布置3叶定子、右舷2叶定子，如图6所示。60卷第2期（总第230期）苗 飞，等：5万吨散货船型线优化及节能导轮设计研究33图6节能导轮优选方案的几何外形表3给出了带与不带节能导轮的船体水动力性能计算结果。从表中可以看出，在设计状态下加装 节能导轮后的船体总阻力相比裸船体时增加了 0.46%,增阻较小，在可接受范围之内。加装节能导轮

后船舶收到功率降低了 1.33%,即可认为，在设计状态下，该节能导轮方案的节能效果为1.33%。表3加装节能导轮前后船体水动力性能比较阻力f________________________自航性能（非定常计算）工况航速vm裸船体阻力总阻力

航速vm转速/桨推力桨扭矩收到功率节能效果/(ms'1)Ahull /N&otal /N(rs 1)T/N0/（Nm）PD/W△E/%无节能装置1.36333.08633.3821.36310.83330.6120.82956.416一带节能导轮1.36333.23133.2311.36310.65531.3990.83155.6631.33注：节能导轮评估时选用的航速对应实船航速14.5 kn,与该船实际航速比较接近，可认为对节能效果的评估影响不大。进一步的流场分析表明，船体尾部和节能导轮的表面基本无流动分离现象，说明该导轮与船尾具

有较好的适配性（见图7）。图7船尾及节能导轮的表面极限流线（螺旋桨抽吸作用下）4模型试验验证对最终的船型（优化线型+节能导轮）开展了快速性对比模型试验。模型试验在中国船舶科学研究

中心深水拖曳水池进行。模型缩尺比为1 : 29.943,船模试验吃水状态为设计吃水，模型及试验照片如

图8所示。图8下水前及拖曳试验中的船模34

中 国 造 船学术论文表4给出了船模阻力和自航试验结果。从表中可知，在试验航速段内，加装节能导轮后的船体阻 力的增加幅度均在0.5%以内，设计航速下船体阻力增加约0.17%,可以认为节能导轮对船体阻力的影

响很小。同时，加装节能导轮后，船后螺旋桨的收到功率有较大的下降，设计航速下节能导轮的节能

效果达到约4.3%,节能效果显著。表4带与不带节能导轮的船模阻力与自航试验结果Vm/(ms\")1.034无节能装置船体 带节能导轮船体 阻力心0爪阻力7?m/N

阻力增加△阳％-0.190.04无节能装置螺旋 带节能导轮螺旋桨 节能效果桨收到功Poo/W收到功率Pd/W△E/%19.69620.82924.59528.64533.55820.86818.80624.4154.524.334.261.1281.2221.3161.41024.58525.5232.63728.69433.548-0.170.030.2731.24740.46742.44358.0414.664.8540.58940.48155.226实船预报结果显示，在持续使用功率(continuous service rating, CSR)下，5万吨散货船不带节能

装置时的航速％为12.98 kn,加装节能导轮后的的航速达到了 13.15 kn,航速提高了 0.17 kn,满足指

标要求，如图9所示。5结论基于CFD方法对一艘已建造的并经型线优化的5万吨级散货船开展了节能船型的设计开发：(1)

针对原始线型进行了型线优化设计，最终的优化线型方案与原型相比其压载水总量减小了 8%,设计航

速下模型总阻力减小了约4.3%,模型收到功率减小了 2.8%,设计吃水下的舷侧波形及自由面波形都得

到了显著的改善，桨盘面伴流更加均匀。(2)在优化线型方案的基础上进行了桨前节能导轮的设计优 选，开发了与船尾适配的椭圆形半导轮方案。经拖曳水池的模型试验验证，节能导轮在设计航速下的

节能效果达到了约4.3%,可提高航速0.17kn„最终获得了快速性能优异的绿色船型方案。参考文献[1]张毅，任飞华.VLCC压载舱防泥沙沉积措施与展望[J].船舶,2016(6):56-59.60卷第2期（总第230期）苗飞，等：5万吨散货船型线优化及节能导轮设计研究35[2] FRIEDRICH M. A novel power-saving devices for full-form vessels [C]// First International Symposium on Marine propulsors, SMP'09, Trondheim, 2009.[3] MEWIS F, GUIARD T. Mewis Duct 一 new developments, solutions and conclusions[C]// Second International

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(No.141058). 2014-09.Research on Optimization of Hull Lines and Design of EnergySaving Duct for a 50000 DWT Bulk CarrierMIAO Fei, WEI Jinfang, HUANG Guofu, CHENG Hongrong(Shanghai Branch, China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China)AbstractUnder given conditions of displacement and general arrangement, and requirements of reducing the total

amount of ballast water, lines optimization is carried out by the CFD method for a 50000 DWT bulk carrier.

Optimal design of energy saving duct is performed on the final hull line, and an energy saving duct scheme

adapted to the stem is put forward, which can improve energy efficiency of the ship. Powering performance

tests are carried out in the towing tank. It is shown that the energy saving duct has the effect of energy saving up to 4.3% at the design point, and the hull with the energy-saving duct has good rapidity, satisfying the

design request.Key words: hull line optimization; energy-saving duct; energy efficiency; bulk carrier作者简介苗飞 男，1987年生，工程师。主要从事船舶流体力学、总体设计方面的研究工作。魏锦芳 女，1981年生，高级工程师。主要从事船舶水动力学、波浪理论等方面的研究工作。黄国富 男，1971年生，研究员，博士研究生导师。主要从事船舶节能推进水动力学的研究工作。程红蓉女，1979年生，高级工程师。主要从事船舶性能分析、预报与优化方面的研究工作。