5 000立方米級LNG加注船線型開發研究

嚴孝欽，陳曉瑩

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 201201)

0 引言

隨著全球變暖議題的日益升溫，溫室氣體排放問題得到國際社會的廣泛關注。國際海事組織(IMO)提出的船舶能效設計指數EEDI是為了衡量新造船能效水平，同時也為船東選擇低能耗、低排放的綠色環保型船舶提供依據。天然氣由于其熱值高、不含硫、燃燒清潔、排放較低而成為未來綠色環保型船舶的首選燃料。

隨著LNG作為船用燃料的推廣，LNG燃料加注技術越來越受到國際社會的關注。與岸站—船加注方式和槽車—船加注方式相比，LNG燃料加注船—船加注方式具有機動性好、加注效率高、可大型加注和海上加注等優點，應用和發展空間十分廣闊。目前，國內外船舶企業在LNG燃料加注船領域的技術儲備較少。為適應我國能源發展和戰略的需要，有必要開展LNG燃料加注船工程化開發研究，掌握LNG燃料加注船的設計和建造技術，以推動我國造船工業水平的提高，提升市場競爭力。

在初步分析LNG燃料動力船舶的政策環境、法律法規的基礎上，結合國內各港口現狀、通航及水文條件，對未來5年LNG動力船舶的發展預測分析后，推薦采用艙容為5 000立方米級的LNG加注船，并以此為目標，對船舶的主尺度、液貨艙形式、加注設備、動力裝置、推進方式等進行了分析探討。本文主要針對此船的線型優化工作展開研究。

1 項目介紹及船型特征

在滿足艙容要求的前提條件下，從提升船舶性能的角度出發，以船舶快速性為主要目標，兼顧操縱性和耐波性要求，考慮各主要港口的停靠條件，并綜合系泊、加注等要求，初步確定此船的主要參數，見表1。

表1 主要參數表

從表1得知，Lpp/B=5.42，B/T=3.5。Lpp/B對剩余阻力影響較大，同時對耐波性和操縱性有一定的影響；而B/T主要影響穩性及阻力性能。本船設計航速對應的傅汝德數Fr為0.236，屬于中高速船型。按照以往的設計經驗，此船的Lpp/B較小，剩余阻力占較大比重；而B/T較小表明集中在水面附近的排水體積較小，濕表面積也較小，對興波阻力和摩擦阻力有利，但B/T較小會導致初穩性高度減小，因此還需校核穩性是否滿足要求。

2 線型設計

2.1 初步方案生成

依據線型設計準則和流程，按照目標船的船型參數Lpp/B、B/T、方形系數和設計航速V等，初步確定了艏艉線型均采用偏V方案，有利于減小興波阻力；艏部設置球艏，以改善艏部流場，降低形狀阻力和減少埋艏現象；艉部采用普通球艉并可考慮單艉鰭布置，使伴流更加均勻，以提高推進效率。通過研究此類型船的布置特點，確定浮心位置范圍及排水量沿船長分布情況，并依此得到了目標船的初步線型方案。

在確定初步方案后，進行艙室劃分、設備布置及規范校核驗算，并對初步方案進一步調整。在確保滿足穩性規范、貨艙艙容和設備布置空間的前提下，對方案進行水動力模擬計算，完成對初步線型的評估，計算結果見圖1和圖2。

圖1 初步方案波形分布

圖2 初步方案船體表面波高分布

從圖中看出，初步方案的艏部興波較大，散波較多，艉肩部存在較大的波谷，船艉的起波也較明顯；從流線上看，在艉部1～2站附近部分水流產生分離，某些區域甚至出現了倒流，進入螺旋槳盤面的水流不穩定；從數值結果分析，形狀因子較大，超過正常范圍的上限值，推力減額和伴流分數較大而敞水效率和船身效率偏低。初步線型需要進一步優化。

2.2 線型優化

2.2.1整體變換

經分析，初步線型浮心位置靠后，艉部線型豐滿，艉肩部過度較生硬，槳前排水體積分布以及縱剖面斜率導致艉部流場不穩定，影響螺旋槳敞水效率及船身效率。

在初步線型的基礎上，通過lackenby方法調整船體橫剖面面積曲線SAC來實現縱向排水體積分布的變化。Lackenby變換可以改變船體浮心位置、方形系數、平行中體長度，還可以實現橫剖面積曲線的形狀變化。借助CFD工具對變形方案進行敏感性分析，發現該船型對浮心位置較敏感；同時，浮心位置受該船總布置要求、配載狀態及機艙布置等幾何條件的限制，經過總布置方案調整，確定其可改變的極限范圍。Lackenby變換是在此范圍內尋求滿足限制條件且性能最佳的方案，最終得到的線型方案橫剖面積曲線及波形圖與初步方案對比分別見圖3和圖4。

圖3 Lackenby變換前后橫剖面積曲線對比

圖4 Lackenby變換前后波形分布對比

從圖中可以發現，浮心位置前移造成了艏部排水體積增加，艏部興波變差；但艉部線型的改善極大地減小了艉部興波和粘壓阻力，伴流也更穩定。綜合來看，在保持排水量不變的前提下浮心位置前移對總阻力性能有利。

2.2.2艏部優化

較高的航速決定了該船的興波阻力在總阻力中占有較大的比重，因此艏部優化對于阻力性能至關重要。艏部優化主要集中在球艏的長度、寬度、高度、進水角、水線面形狀、艏肩部的過度區域等。通過參數化建模實現對優化區域的參數控制，采用sobol算法尋找優化區域，再利用NelderMeadSimplex算法，設置200次的迭代次數，以興波阻力作為目標參數，尋找最小興波阻力值并最終確定最佳艏部線型。艏部優化前后的計算結果對比見圖5和圖6。

從對比圖可以看出，艏部優化減小了船艏起波和隨波，船側波形更加平緩，船身壓力也有所降低。從數值結果看，艏部優化使興波阻力減小了10%。

2.2.3艉部優化

艉部優化是在滿足機、槳、舵布置的前提下，使船體阻力和推進效率的匹配達到最佳，從而使該船的快速性能提升。根據初步方案的結果，針對性地采取了一些修改措施，如降低艉封板的高度；改變艉肩部的形狀；調整UV型改變槳前船體排水體積分布等。同時，考慮采用不同的艉部形式，如鰭型球艉。艉部的優化同樣先采用Sobol算法搜索優化區域，再用遺傳算法NAGAⅡ深度探尋，設置10代遺傳數量和每代27個種群數量，以船體總阻力和艉部伴流分數作為目標參數，在生成的艉部方案中選定艉部線型，并結合優化后的艏部線型，得到新的方案。經穩性計算及布置方案校核，滿足所有限制要求，并將其作為最佳優化方案。優化方案與初步方案的CFD計算結果對比見圖7、圖8和圖9。

圖5 艏部優化前后波形分布對比

圖6 艏部優化前后船身波高分布對比

經過整體變換和艏艉部優化，艏部興波和艉部興波都有重大改善，興波阻力和剩余阻力降低；同時改善了螺旋槳的進流，艉部流場分布均勻，使螺旋槳與船體更加匹配，推力減額和伴流分數減小，船身效率得到提升。從數值看，優化方案在設計狀態的阻力值比初步方案降低了12%，搭配盤面比為0.6的4葉槳，推進效率提高了3%，從而使螺旋槳收到功率降低了14%。

圖7 初步方案和最佳優化方案波形分布對比

圖8 初步方案和最佳優化方案船身波高分布對比

圖9 初步方案和最佳優化方案艉部船體壓力分布及螺旋槳伴流分布對比

3 模型試驗

為了驗證此船的快速性能，將最佳優化方案作為試驗方案在瑞典SSPA水池進行了模型試驗。SSPA模型試驗結果見圖10。

圖10 SSPA模型試驗結果

從試驗結果看，此船艏艉波形較為平緩，艏艉肩部的波谷較小，艉部流線明顯，進入槳盤面的水流穩定，伴流測定結果顯示槳盤面處伴流均勻，呈現較為理想的分布狀態。從數值結果上看，此船阻力低于SSPA數據庫中的同類型船舶，推進性能優異，優化方案達到設計預期。模型試驗結果與CFD計算結果對比見圖11。

圖11 CFD計算結果與模型試驗結果對比

從圖中可以看出，CFD計算得到的不同航速下的推進功率曲線與模型試驗結果趨勢相同，數值誤差為2%～4%，證明CFD計算在精度上可以滿足設計初期的性能預報要求。更重要的是，在優化過程中CFD計算結果可以作為方案優劣的評判標準，為線型優化指明方向。相比模型試驗，CFD計算方便、快捷、成本低、耗費資源少、反饋迅速，在未來的船型優化設計中，隨著CFD計算工具和計算方法的不斷完善，完全有可能取代傳統的試驗方法。

4 結語

5 000立方米級LNG加注船項目是在選擇合適主尺度、總體布置方案的基礎上，通過整體變換、艏艉局部調整并結合CFD計算工具，搜索并得到滿足裝載要求和穩性要求的最佳優化方案，最終由模型試驗驗證達到設計預期。5 000立方米級LNG加注船項目的成功開發，其意義不止在于單個項目的成功，更是為LNG加注船這一新船型的開發設計提供了寶貴的經驗。隨著全球性運營船舶碳硫排放物新標準的實施，LNG燃料船需求將不斷增長，LNG燃料加注船市場同樣前景可期。