一種無壓載水船型設計新思路

白 軍，王鵬暉，洪碧光

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

一種無壓載水船型設計新思路

白 軍，王鵬暉，洪碧光

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

為解決壓載水帶來的海洋污染問題，學術界引入了無壓載水船的新理念。首先，對當前國內外無壓載水船型設計與開發的研究進展進行概述，并對其優缺點進行分析。然后，針對美國貫通流系統和日本V型船兩大設計理念進行技術整合，提出了一種無壓載水船設計的新思路，并對無壓載水新船型的船型參數和水動力相關計算結果進行呈現。結果表明，新船型的設計，對無壓載水船未來的研究之路具有一定的實際意義與參考價值。

無壓載水船；研究進展；貫通流系統；V型船

0 引 言

為了有效控制船舶壓載水污染所帶來的危害，國際海事組織（IMO）于2004年通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》[1]。同時，隨著芬蘭于2016年9月8日，向IMO遞交了“公約”加入文書，壓載水“公約”則正式達到了生效條件。“公約”將于2017年9月8日正式生效。在此大背景下，無壓載水船的設計在業界也將被激發出一股新的研究熱潮。當前，國外主流的無壓載水船構想有3種：美國的貫通流系統[2]、荷蘭的單一結構船身設計[3]以及日本的V型船身設計[4-5]，然而，國內只有少數研究院、大學院校對單一結構船體和V型船體的設計有一定的研究，尚無成熟理論被提出。本文提出的無壓載水船設計新思路，是經過整合貫通流及V型船體兩大系統，推出的一款更優化、更經濟、更環保的無壓載水新船型。

1 無壓載水船研究進展

1.1 國外研究進展

1.1.1 美國貫通流系統

貫通流系統[2]（Though Flow System Hull），如圖1所示，科研人員對其進行水池試驗，結果表明，在保證無壓載水的前提下，該船型不僅能保持良好的穩性，而且船底裝有2條大型管道中海水自前而后流動產生的水流，對螺旋槳水動力性能也起到了一定的優化作用，既提高了航速又實現了節能減排。試驗數據表明，貫通流理念下的無壓載水船舶最多可以節省母船型7.3%的動力。

然而，該設計理念的缺陷包括了以下幾點：

1）船體內部貫通的管路需要超高強度，同時大型化船舶則需要更大尺寸的管路，對船舶內部結構與設備的布局會產生很大程度影響。

2） 船舶處于不同的裝載情況時，需要對自身的壓載量進行調整。貫通流系統的設計無法實現船舶對不同裝載情況下所需不同壓載量的定量化與壓載量切換。

3）在空載狀態下，貫通流系統中管路可以實現全流通。然而，滿載狀態下，針對管路中流通海水的排空也是一個遺留問題所在。

1.1.2 荷蘭單一結構船身

單一結構船身設計[3]（Monomaran Hull），如圖2所示，該設計理念下的船舶已經在荷蘭代爾夫特理工大學建造成功，其載重量為4 000 t，船速為14 kn，無壓載水艙。從試航結果來看，基本上滿足了無壓載水船的標準。然而，其缺點是與傳統船型相比，船體濕水面積有大幅度地擴大，船舷高度有所增加，最終導致船舶航行阻力也會有所增加，很難應用于大型化的船舶。

1.1.3 日本V型船身

V型船身設計[4-5]（V-Shaped Hull），如圖3所示，通過計算機模擬實驗數據表明，“馬六甲型”無壓載水船可減少其母船型25%的阻力，“最佳型”無壓載水油輪可減少其母船型33%的阻力，實現了對航行過程中所需燃料量明顯的節約。

不過，V型船設計的缺點表現在以下幾個方面：

1）由于V型無壓載水船對船體結構進行優化，需選用超強度鋼材，因此，相對于傳統VLCC來說，無壓載水油輪的單船造價要高出其650萬美元左右。

2）V型船身的設計，對于偏大型化船舶來說，需要更大尺度的V型船體，這樣，船舶對航行水域水深也提出了更高的要求，適應于同噸位普通船型停靠、航行的淺水港口、航道、運河（例如巴拿馬運河、蘇伊士運河等），可能無法讓V型船身的大型化船舶去靠泊與航行。

3）航行在水深相對較淺水域的船舶都會存在一定的縱傾值與下沉量，對于型深極高的V型船體來說，本就存在較大的吃水深度，再加上其自身特點，會帶來比普通船型更明顯的縱傾與下沉現象，增加船舶擱淺風險。

4）V型船設計在惡劣的風浪情況下，穩定性達不到要求，船舶的機動性能也受到了很大程度的制約。因此，船體內部還是配置有備用壓載水艙以應對突發情況。那么，從嚴格意義上講，其只能被界定為超低壓載水船型，還是無法杜絕壓載水污染的產生。

5）與傳統船型比較，V型船體的設計，讓船舶在滿載狀態下，推進效率有所惡化；此外，由于過大的船底傾斜度，給船舶的建造也會增加不少難度。

1.2 國內研究進展

1.2.1 結合單一結構船身理念的設計

2012年，徐峰等[3]選用了華東船舶設計院自主研發的35 000DWT級散貨船作為母型船，將雙尾鰭船型與單一結構船身設計理念進行結合，對靈便型無壓載水艙散貨船進行開發。研究結果表明，新船型在空載狀態下的吃水和滿載狀態下的載貨量，以及船舶穩性和耐波性，與母船型基本持平。但是，在惡劣海浪情況下，還需要加載一定量壓載水以保證船舶安全，難以實現完全無壓載水化。

2013年，汪敏等[6]繼續選用靈便型散貨船作為研究對象，結合單一結構船身設計理念，對其進行無壓載水船型開發。同時，在徐峰研究成果的基礎上，又進行了進一步的型線優化，并選用商業軟件Fluent對粘性流場中航行的無壓載水船型進行數值模擬。最終，計算結果表明，新船型不僅有效地降低了對螺旋槳直徑的需求，而且又減少了空載狀態下船舶排水體積，使得船舶阻力性能得到了優化。但是，自船中之后雙尾鰭的設計導致貨艙體積有了一定幅度的減少，載貨量也會有所降低。

1.2.2 結合V型船身設計理念的設計

2010年，韋俊凱等[7]選用現有的V型無壓載水船作為母船型，對其型線繼續進行優化，同時，采用“加大船寬，增大型深”的方法，增加船底傾斜度。最終，提出了基于母型船橫剖面面積曲線基本不變的V型無壓載水船型線設計的變換方法，既滿足了船舶排水量保持不變的要求，又實現了新母船型間浮性基本不變的效果。但是，在其余船型參數（如方形系數、船寬吃水比等）發生明顯變化的前提下，船舶穩性、快速性等操縱性相關的水動力特性還并沒有進行地有效的研究，設計方案的可行性還有待于進行進一步的驗證。

2013年，陸嶼[8]選用59 000DWG的油輪作為母船型，在其主尺度（船長、船寬等）保持不變的前提下，進行了NOBS型線設計[9]，設計出無壓載水油輪，并且針對新船型提出了總布置設計方案和結構設計方案，使得新船型在各種典型工況下的浮態、穩性都足以滿足相關的規范要求，新船型的船體重量較母船型也有所降低，可減少船舶的建造成本。反觀船舶阻力，則較母船型存在大幅度的增加，增加比例大約為28.7%。

2014年，王琳[10]在V型船身設計理念的基礎上，基于Freeship軟件對無壓載水船進行了型線設計，并采用SESAM軟件對新船型的浮態、穩性和耐波性等方面進行了計算。結果表明，新船型在保證與母船型橫剖面面積不變的前提下，上述各方面的性能較母船型都有所優化。不過，新船型由于船寬的增大，導致空船質量比母船型有了不少的提高，建造成本會有所增加。另外，針對新船型快速性、結構強度以及操縱性等幾大關鍵方面的研究，還屬于空白階段。

2 無壓載水船舶設計新思路

本設計思路集合了貫通流系統與V型船設計兩大理念的優點，并且在兩大設計理念的基礎上，進行了一定程度的改造[11-12]。

2.1 V型船體部分

本文選用巴拿馬型散貨船[13]作為母船型，針對船體部分進行改造，其主要內容包括以下幾方面：

1）V型船體的改造，將船體設計為“上U，下V”型，如圖4所示。該船型的設計，不僅用以增加了船體上部的飽滿度，又可降低對船體下部瘦削度的要求。

2）船首至船尾21個站位的肋板，如圖5所示，從中可以直觀地看出，船體的設計偏于V型化，但是并不需要達到V型船身設計理念中的大尺度。

2.2 貫通管路部分

針對管路部分進行改造，其主要內容包括以下幾方面：

1）將上部2條縱向管路設計為微弧形，底部縱向管路和3條橫向管路設計為直線形，同時，所有管路均處于壓載水線以下的位置，見圖6。

2）縱向管路的前、后管口處安裝有傳感器控制閥門，用以控制海水流進、流出；橫向管路與底部縱向管路之間的連接部位裝有壓力傳感器，用以實現船舶壓載量的定量化，見圖7。

3）縱向管路均設有內、外雙層管壁，既加強管路強度，又讓管路處于可收縮狀態，來調整管路內海水的流通量，以實現不同裝載狀態間壓載量的切換。針對于管路的收縮，采用內、外管壁間的空氣填充壓縮技術來實現內管徑的切換，見圖8。

4）縱向管路均分為前后兩大部分，用以實現對船舶浮態的調整。對于橫傾狀態的調整，通過控制左右2條縱向管路進行不同程度的開放，實現2條管路間海水流通量差即可。對于縱傾狀態的調整，通過控制縱向管路前后兩部分不同程度的開放，讓前后部分出現不同海水流通量，實現管路進、出口處的壓力差即可。

3 計算結果及分析

在母船船型參數的基礎上，利用相關經驗公式，對新船型參數進行了計算。同時，采用CFD方法[14]，基于Fluent軟件，對新母船型進行了粘性流場中的數值模擬，得出新船型的阻力及浮態相關數據，并且對航行于特殊水域（岸壁效應）下，新船型操縱性相關的水動力特性進行了分析。

3.1 船型參數

1）主尺度

新船型主尺度（船長、船寬、型深、吃水等）較母船型都有所增大；由于V型船體部分，所需鋼板厚度的增加以及內部貫通管路的設計，導致空船載重量也有所增加，但是，船舶載貨量保持不變，上述各參數值也完全符合相關規范要求。同時，利用尺度比參數[15]對主尺度進行量化，結果表明，新船型的結構強度與母船型也保持基本一致。

2）船型系數

由于船體“上U、下V”型的設計，導致新船型的方形系數、菱形系數、橫剖面系數等較母船型都有所降低[11]，但是水線面系數有所提高。

3）穩性參數

新船型的浮心垂坐標、橫穩心半徑、初穩性高度、重心垂坐標較母船型都有所提高，橫搖周期較母船型則有所降低。但是，各項穩性數據也依舊滿足相關的規范要求[16]。

表 1 新母船主尺度參數Tab. 1 The main parameter of mother and new ship

表 2 新母船穩性參數Tab. 2 The stability parameter of mother and new ship

3.2 浮態及阻力數據

1）浮態數據

根據數值模擬的計算結果表明[12]，新船型的初始浮態屬于尾傾，然而母船型的初始浮態屬于首傾，這表明，新船型的初始浮態優于母船型。同時，新船型縱向管路前部收縮，可增加船舶尾傾；后部收縮可增加船舶首傾，也實現了對船舶浮態調整的有效性。

2）阻力數據

新船型總阻力較母船型有所降低，在不同航速下，降低的平均比例占母船總阻力值的6.58%。該結果也表明，新船型的快速性較母船型也有所優化。

3.3 岸壁效應分析

1）橫向力數據

由于管路的分流效果，使得新船型船體周圍流場的速度、壓力分布較母船型都有所降低。在不同岸壁距離下，新船型所受橫向力較母船型降低的平均比例可達30.39%。

2）轉首力矩數據

不同岸壁距離下，新船型船體轉首力矩較母船型降低的平均比例為35.20%。這充分表明，新船型在岸壁效應下的“安全距離”，會明顯地小于母船型。

表 3 不同岸壁距離下新母船型船體轉首力矩比較（Fr=0.074）Tab. 3 Comparing of the yaw moment in different distance to bank(Fr=0.074)

4 結 語

通過本文設計無壓載水新船型的計算結果中，可以看出，新船型與母船型的船型參數保持基本一致[11]，并沒有明顯變化，滿足相關實踐的要求。同時，新船型快速性、浮性以及受限水域中的操縱性較母船型也都得到了一定的優化[12]。這表明，本設計新思路還是具有一定的實際意義與參考價值的。

然而，從國內外無壓載水船型的研究進展中，可以看出，目前無壓載水船型的設計與開發，僅有國外三大設計理念存在，國內研究工作者的研發工作只是基于國外三大理念進行的。同時，國內外針對無壓載水船型的研發，也都只處于剛起步階段，各種設計思路依舊存在自身的缺陷與不足，待優化的工作仍有很多。總體而言，作為一個新的研究方向，無壓載水船型，從開發到應用還是需要很長的一段路要走，船界也應該在無壓載水船型的研究方面加大投入力度，提高無壓載水船型的適航性、安全性與經濟性，使這項研究逐步地走向應用。

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[ 8 ]陸嶼. 無壓載水型油船初步設計研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2013.

[ 9 ]Shipbuilding Research Centre of Japan. The Ultimate Solution[D]. Non-Ballast Water Ships(NOBS). 2006(10):1–10.

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A new ballast-free ship design scheme

BAI Jun, WANG Peng-hui, HONG Bi-guang
(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To solve pollution problem of ballast water, academia introduced the ballast-free ship theory. Firstly, gathers the latest research process of ballast water treatment systems at home and abroad, and analyzes their advantage and disadvantage. Then, fuses international advanced ballast-free ideas -American Though Flow System and Japanese V-Shape Hull,presents a new ship design scheme and its ship form parameters and hydrodynamic relevant computing results. The results showed that new ship design scheme can provide a reference for the future ballast-free ship study.

ballast-free ship type；research process；though flow system；V-shape Hull

U662.2

A

1672 – 7649(2017)09 – 0064 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.013

2016 – 11 – 15；

2016 – 12 – 16

大連海事大學重點科研資助項目(3132016360)

白軍(1982 – )，男，碩士，講師/大副，主要從事船舶操縱控制研究。