9 200 TEU集裝箱船球鼻艏的設計優化

尹遜濱

(中集船舶海洋工程設計研究院有限公司，上海 201206)

?

9 200 TEU集裝箱船球鼻艏的設計優化

尹遜濱

(中集船舶海洋工程設計研究院有限公司，上海 201206)

以中集船舶海洋工程設計研究院有限公司設計研發的9 200 TEU集裝箱船為依托，結合船舶所有人的具體需求，設計研發5個改型球鼻艏。利用SHIPFLOW軟件分別對5種改型方案進行興波阻力、粘性阻力計算和預報。通過多方案比較確定最優的球鼻艏模型，并進行船模試驗。試驗驗證了采用CFD軟件進行阻力預報，進而完成球鼻艏改型優化設計的可行性。

集裝箱船；球鼻艏設計；優化；CFD計算

0　引　言

2008年全球金融危機爆發之后，受國際貿易量不斷下降、國際燃油價格大幅上揚的影響，國際航運業，特別是集裝箱船運輸業遭受到了巨大的沖擊。目前金融危機帶來的深層次影響仍在不斷出現，導致國際航運業與全球經濟一樣仍在低谷徘徊。全球經濟疲軟、我國經濟增長放緩以及運營成本不斷上漲的狀況使得國際航運市場供求失衡、運力過剩的矛盾一直沒有得到解決，各大航運企業的業績連年報虧[1]。

為應對新的國際航運形勢，各大航運企業都在不停地尋找方法提高經營利潤。由于船舶主機的功率與船舶航速的三次方成正比[2]，而主機油耗又與主機功率成正比，因此降低船舶航速是最直接有效的控制燃油成本的方式，很多航運公司都采取該項措施來降低燃油成本，且取得了巨大的經濟收益。現役集裝箱船的初始設計服務航速較高，一般約在23～25 kn，較高的設計航速已不適應當前慢航的趨勢，原來針對高航速設計的球鼻艏，也需要隨著航速的減慢而得到相應地修改。為適應集裝箱船低速航行的趨勢，必須對原有球鼻艏進行改造，有效化解船舶低速航行時的興波阻力，從而達到節省燃油、降低成本的目的[3]。

1　新球鼻艏的設計方案

原9 200 TEU集裝箱船鼻艏采用SV型球，可以兼顧設計吃水和結構吃水下的阻力性能。其艉部線型設計為球尾，從而使螺旋槳盤面處流場得以改善，提高了船舶的推進效率；其前后體橫剖面均略呈V型，最大橫剖面曲線位于第9站附近。9 200 TEU集裝箱船初始的設計航速為22 kn，但根據船舶所有人反饋，其實際運營的主要航速為14～18 kn，因此原設計的球鼻艏已不能滿足要求，需針對該船的主要航速區間進行重新優化設計。

一般用來表示球鼻艏形狀和大小的特征參數主要有橫剖面積參數、縱剖面積參數、相對排水體積參數、寬度參數、長度參數和相對浸深等。這些幾何參數基本表示了球鼻艏的形狀特征，研究球鼻艏對船體阻力的影響主要是研究這些幾何參數變化對阻力的影響[4]。圖1為球鼻艏幾何參數示意圖。

圖1　球鼻艏幾何參數示意圖

1) 橫剖面積參數Ab/Am：Ab為首柱處球鼻艏橫剖面面積；Am為船中橫剖面面積；Ab/Am反映球鼻艏的幅值條件。

2) 縱剖面積參數Abl/Al：Abl為首柱處球鼻艏縱剖面面積；Al為船中縱剖面面積；Abl/Al反映球鼻艏的幅值條件。

3) 相對排水體積參數▽b/▽：▽b為球鼻艏增加的排水體積；▽為船體排水體積；▽b/▽反映球鼻艏的幅值條件。

4) 寬度參數Bb/B：Bb為首柱處球鼻艏橫剖面的最大寬度；B為船寬；Bb/B反映球鼻艏的幅值條件。

5) 長度參數Lb/Lbp：Lb為球鼻艏最前端至首柱的距離；Lbp為船的兩柱間長；Lb/Lbp描述了球鼻艏的前伸程度，反映球鼻艏的相位條件。

6) 相對浸深Zb/D：Zb為球鼻艏中心或球鼻艏最前點或最大寬度處與靜水面間的距離；D為船的吃水；Zb/D對相位、幅值都有影響，但主要是后者。

以球鼻艏幾何特征中的橫剖面積參數、縱剖面積參數、相對排水體積參數、寬度參數、長度參數和相對浸深等參數為自變量，結合球鼻艏的基本設計原則，在各自的取值范圍內分別選取參數并結合船舶所有人意見，針對低航速段的性能設計5種類型球鼻艏，新球鼻艏的設計方案見圖2。采用SHIPFLOW進行船舶阻力預報，分別得到各個球鼻艏模型下的摩擦阻力系數、粘壓阻力系數、興波阻力系數、粘性阻力系數和總阻力系數。對球鼻艏各改型方案的總阻力系數進行分析比較，最終選擇最優的方案進行模型制作和試驗驗證。

2　CFD計算結果

計算模型依托于9 200 TEU集裝箱船的各球鼻艏模型。采用SHIPFLOW進行船體網格劃分和阻力數值計算。計算得到的各方案阻力結果見表2～表6。各方案下船體周圍的波形圖見圖3～圖12。

圖2　9 200 TEU集裝箱船球鼻艏設計方案

參數方案I方案II方案III方案IV方案VAb/Am0.04920.04770.04120.04670.0399Abl/Al0.01190.01190.01190.01120.0109▽b/▽0.00250.00230.00220.00210.0019Bb/B0.14260.13950.12660.14330.1347Lb/Lbp0.03290.03290.03290.03290.0329Zb/D0.55640.55640.55640.53260.5080

表2　9 200 TEU集裝箱船改型方案I計算結果

表3　9 200 TEU集裝箱船改型方案II計算結果

表4　9 200 TEU集裝箱船改型方案III計算結果

表5　9 200 TEU集裝箱船改型方案IV計算結果

表6　9 200 TEU集裝箱船改型方案V計算結果

圖3　9 200 TEU集裝箱船改型方案I波形圖(Vs=22 kn)

圖4　9 200 TEU集裝箱船改型方案II波形圖(Vs=22 kn)

圖5　9 200 TEU集裝箱船改型方案III波形圖(Vs=22 kn)

圖6　9 200 TEU集裝箱船改型方案IV波形圖(Vs=22 kn)

圖7　9 200 TEU集裝箱船改型方案V波形圖(Vs=22 kn)

圖8　9 200 TEU集裝箱船改型方案I波形圖(Vs=18 kn)

圖9　9 200 TEU集裝箱船改型方案II波形圖(Vs=18 kn)

3　CFD計算結果分析

根據SHIPFLOW的數值計算結果，繪制數據分析圖(見圖13～圖17)。

由圖13可知，在船舶所有人要求的低航速區域14～18 kn內，改型方案V的總阻力最小，說明從低速區域阻力最小的優化角度來看改型方案V為最優方案，同時也是最終被選擇進行模型試驗的方案。

圖10　9 200 TEU集裝箱船改型方案III波形圖(Vs=18 kn)

圖11　9 200 TEU集裝箱船改型方案IV波形圖(Vs=18 kn)

圖13　9 200 TEU集裝箱船各改型方案不同航速的總阻力對比

圖14　各改型方案航速為14 kn時的▽b/▽及總阻力對比

由圖14和圖15可知，在不同航速區域下各船型的阻力與球鼻艏的體積比有直接關系，一般球鼻艏越小，船舶在低速區域所受阻力就越小，而此時在高速區域所受阻力則較大。因此，必須根據船舶所有人的實際運營需求選取合適的航速區間，有針對性地優化球鼻艏設計。

圖15　各改型方案航速為22 kn時的▽b/▽及總阻力對比

圖16　各型方案航速為14 kn時的Zb/D及總阻力對比

圖17　各改型方案航速為22 kn時的Zb/D及總阻力對比

由圖16和圖17可知，各船型在不同航速區域所受阻力與球鼻艏的相對浸深Zb/D有直接關系，一般相對浸深越小，在低速區域所受阻力就越小，而此時在高速區域所受阻力則較大。

同時，仔細分析上述各方案的阻力數據可知，各船型在不同航速區域所受阻力與橫剖面積參數、縱剖面積參數及寬度參數均有一定關系。一般各參數越小，對于低速段的阻力性能越好；各參數越大，對于高速段的阻力性能越好。

由上述各改型方案的CFD數值計算結果可知，船型的阻力性能與球鼻艏的特征參數(橫剖面積參數、縱剖面積參數、相對排水體積參數、寬度參數、長度參數及相對浸深等)有密切聯系。對于航速區域不同的船型，其球鼻艏也必須作相應優化。因此，在目前高速集裝箱船低速慢航的趨勢下，對于營運船舶所有人而言，改造球鼻艏是一種簡便可行的節約運營成本的方法。

4　模型試驗結果

根據上述CFD數值計算結果，選取其中最優秀的球鼻艏設計(即改型方案V)，根據其線型重新制作船模，并在上海船舶運輸科學研究所進行該船設計吃水的阻力自航試驗。9 200 TEU集裝箱船改型方案V試驗參數見表7，試驗船模見圖18，試驗結果見表8，總阻力Rt計算值與試驗值對比見圖19。

表7　9 200 TEU集裝箱船改型方案V試驗參數

由圖19可知，阻力預報曲線均與試驗曲線發展趨勢保持一致，阻力值與試驗值的誤差約為5.2%，較好地反映了該船型在靜水中航行時的阻力性能。

圖18　9 200 TEU集裝箱船改型方案V試驗船模

V/knFnVm/(m/s)Rtm/NCtm/10-3Rnm/106Cfm/106Cr/10-3ΔCf/10-3140.1361.13923.3523.61138.98453.05660.5547-0.15160.1561.30129.9643.547810.26802.98630.5615-0.15180.1751.46437.4033.499111.55152.92620.5729-0.15200.1951.62745.9853.484612.83502.87400.6106-0.15220.2141.78956.5533.541614.11852.82800.7136-0.15

圖19　改型方案V總阻力Rt計算值與試驗值對比

5　結　語

應用CFD數值計算方法對船舶阻力較為敏感的球鼻艏線型進行了分析對比，通過船舶快速性和流場特性預報比較了不同球鼻艏線型方案的阻力性能優劣，使船舶設計中球鼻艏線型設計的快速響應成為一種可能，為大型集裝箱船的球鼻艏快速設計提供一種可行的方法。

當前運用CFD數值計算進行船舶阻力性能預報的結果與船模試驗的結果還有一定的差距，尚不能完全代替模型試驗來進行船舶阻力預報，但其變化規律是一致的，可用于指導船型優化設計。對于CFD數值計算的預報結果，一般會通過模型試驗或實船試驗進行驗證，保證結果的可靠性。隨著計算機技術不斷發展、各種數值計算方法的精確度不斷提高以及數字水池技術的不斷完善，CFD數值計算預報技術將在船舶領域得到越來越廣泛的應用。

[1]胡安康，尹遜濱，余建偉. 9 200 TEU集裝箱船設計特點[J]. 船舶工程，2013，35(22)：131-133.

[2]左德權, 尹遜濱, 陳曉瑩. 13000TEU超大型集裝箱船總體性能設計[J]. 上海造船, 2009(3)：24-26.

[3]樓丹平. 7100TEU超大型集裝箱船開發[J]. 上海船舶運輸科學研究所學報, 2005，28(2):128-133.

[4]賀鴻章. 5100TEU集裝箱船的總體設計[J]. 江南集團技術, 2007(02):9-17.

Design Optimization of Bulbous Bow for 9 200 TEU Container Vessel

YIN Xunbin

(CIMCOceanEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd，Shanghai, 201206,China)

5 bulbous bows of different type are developed for the 9 200 TEU container ship designed by CIMC Ocean Engineering Design & Research Institute Co., Ltd according to the specific requirements of the owner of the ship, CMA CGM. The CFD software SHIPFLOW is used for the calculation and prediction of thewave resistances and viscous resistances of these 5 bulbous bows respectively. The most suitable bulbous bow is suggested by the comprehensive design comparison, and the model test is carried out to verify the bulbous bow optimization and the resistance prediction given by CFD.

container vessel; design of bulbous bow; optimization; CFD calculation

2015-06-16

尹遜濱(1981—)，男，工程師，主要從事船舶與海洋工程總體設計工作。

1674-5949(2016)01-008-08

U674.13+1

A