1 000客2 800 m車道客滾船的線型設計

徐建 鄧紹初

摘? ? 要：本文詳細描述了我司設計的1000客2800m車道客滾船線型開發設計的整個過程。首先分析優秀船型的尺度特點，進而結合方案需求確定船舶基本參數，然后基于三種不同的尾部線型形式，進行CFD計算分析，最后選定最合適的線型;針對確定的較優線型，進行包括浮心優化、前體優化和后體優化研究，對此類船舶的開發設計有一定借鑒和指導意義。

關鍵詞：客滾船;線型開發;線型優化

中圖分類號：U674.12 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： This paper describes the whole process of the lines development and design of the 1000 passenger /2800 m lane length RoPax ship built in our company. Firstly， the scale characteristics of the excellent similar ship types are analyzed to determine the basic parameters of the ship in combination with the building requirements. Then， based on the three different stern lines， CFD calculation and comparative analysis are carried out to select the most suitable lines. Finally， the optimizations of the center of buoyancy， the forebody and afterbody are studied for the determined lines.

Key words： RoPax ship， Lines development， Lines optimization

1? ? ?引言

近年來，選擇乘坐各類海洋客船、客滾船甚至豪華郵輪外出旅行的人士越來越多，特別是亞洲國家對于這類船舶的需求量正在增長。鑒于此，我司對海洋客滾船進行了開發設計。

當前世界上已開發出許多客滾船優秀船型[4]，在Significant Ships中搜集了15種ropax船型，見表1。這15種船型的無因次參數比較，見圖1。

由表1可見，這些優秀的客滾船型一般都具有大傅汝德數和大寬度吃水比，明顯高于其他船型。基于以上結論，結合車線長度及吃水的限制要求，我司開發設計的1000客2 800 m車道客滾船基本參數如表2所列。

2? ? ?線型樣式分析

客滾船通常航速較快，高的可以達到30 kn，因而螺旋槳負荷較高、主機功率較大。同時客滾船吃水和槳徑又受到碼頭的限制，因此需要設置雙機、雙槳來分擔負荷;為滿足靈活操作及安全返港等要求，也需要設計成兩個獨立機艙配置雙機、雙槳、雙舵。

客滾船典型的尾部線型有兩種：一種是人字架尾軸、縱流型尾部，這也是目前國際上大多數客滾船采用的線型（見圖2）;另一種是雙尾鰭線型（見圖3）。

2.1? ?縱流型尾部

由于縱流型尾部的主船體外表面積小，因此船舶自身摩擦阻力小;另外，其尾部伴流峰值也小，使螺旋槳產生的噪聲和脈動壓力小，大大降低了船舶振動及噪音源，給旅客和船員帶來一個良好的生活環境，因而被廣泛采用于旅客眾多、檔次較高的各型客滾船。

對于人字架的結構強度需要進行核算;過長的尾軸，包括由于長尾軸帶來的兩個甚至更多個人字架串聯，會給軸系加工、軸系對中安裝、人字架的制作安裝以及日后的維護保養帶來很多的困難;同時，此種線型還帶來了機艙空間的拮據。為了滿足主機、齒輪箱的布置，有時需要將主機向首部移動，這樣會使軸系的長度更長，甚至需要縮短車道長度來滿足機艙的布置。

2.2? ?雙尾鰭線型

雙尾鰭線型，由于其表面積相對而言增加了大約5%～8%，直接導致摩擦阻力的增加。但是經過水池試驗表明，雙尾鰭可以顯著增加尾部伴流分數從而提高船身效率，部分克服了前面所述的額外阻力增加;但同時尾部伴流的提高也增加了螺旋槳產生噪聲和脈動壓力的風險，不利于船舶降振減噪，甚至過大的振動會導致嚴重的結構變形、軸承損壞等現象;另一方面，其寬大的尾部給機艙的布置帶來了便利，主機可以適當后移，讓出空間給貨艙的車道。

上述兩種線型各有優劣，而有一些客滾船則采用了全新的短尾鰭設計，其尾部線型兼顧了兩者的優缺點，即設置兩個短小的尾鰭加一個人字架（見圖4），這樣可以兼顧兩者的優勢，達到一個合理的平衡點[1] [2]。

3? ? ?線型CFD分析

我司開發的1000客2 800 m車道客滾船在尾部線型樣式選取時，對于以上所述的三種線型樣式進行了CFD計算分析。三種線型的基本參數、和首部線型相同，只是尾部線型不同：線型A為人字架尾軸線型、線型B為雙尾鰭線型、線型C為短尾鰭加人字架線型。三種線型的波形對比，見圖5、圖6、圖7。

4? ? ?線型優化

對C線型進行優化，包括浮心優化、前體優化和后體優化。在進行前體和后體優化時，借鑒雷林等在《98 m客滾船阻力優化設計研究》一文中得到的結論[5]：將船首由V形首調整為U形首;將雙尾鰭下端分別向船體外側作適當偏移，在減少尾流旋轉誘導速度的同時使尾渦向船體兩側耗散，以改善船行進時尾渦帶來的不利影響;將尾鰭上下輪廓改為圓弧過渡，達到光順尾部線型、降低粘壓阻力的目的。

4.1? ?浮心優化

對本船浮心位置進行優化。原始浮心位置在96.5 m，控制浮心位置在±0.5%范圍內移動，移動后浮心位置在95.5 m到97.5 m之間。浮心優化結果，見表4和圖8。

4.2? ?前體優化

對前體水線進行優化。在排水體積不減小的前提下優化前體水線，優化過程見圖9，優化結果見表5。

在前體優化過程中，我們希望在排水體積不減小或略有增加的前提下，興波阻力系數達到最優的結果。經優化后，排水體積基本不變，興波阻力系數從0.000236下降到0.0002143。

經變換后的水線與原水線的對比結果見圖10。

4.3? ?后體優化

對后體結構進行優化。在排水體積不減小的前提下，優化后體結構。優化過程見圖11，優化結果見表6。

在后體優化過程中，我們同樣希望在排水體積不減小或略有增加的前提下，粘壓阻力系數達到最優的結果。經優化后，排水體積略有增加，粘壓阻力系數從0.0002746下降到0.000 25、興波阻力系數從0.000236下降到0.000217。

經優化后，后體結構與原后體結構的對比，見圖12。

從優化過程中可以看出，浮心向前移動0.5%，可以降低8%的粘壓阻力和16%的興波阻力;前體水線情況比較好，可以微調使興波阻力下降9%左右;后體尾部優化后，可以減小10%的粘壓阻力和8%的興波阻力;按組成比估算，優化后可以降低總阻力3.5%。

5? ? ?線型與耐波性、穩性的相互影響

除快速性外，耐波性和穩性也是船舶航行性能中需要考慮的重要問題。改善耐波性可以適當收縮滿載水線、增加首部橫剖面的舭部、抬高并收窄尾封板;修改抬高尾部內側縱剖線，將不足的排水量加至外側;通過控制首尾部的外飄和水下剖面形狀改善耐波性，首部橫剖面采用偏V型的橫剖面，水線以上的外飄保持在適宜水平，既有助于減小波浪中的運動幅度，又把抨擊力控制在適當的水平;排水體積適度前移下移，減小橫剖線的水平段即弱化船尾具有平底特征的范圍，從而達到減小波浪抨擊的目的。

客滾船是典型的布置型船舶，積載因數很大且為多層甲板，因此型深很高。加上上層建筑豐滿、受風面較大，因此對穩性十分不利。為改善完整穩性，可以在保證通風效果的前提下，盡量抬高舷側通風口的高度;在有效范圍內盡可能增大舭龍骨的面積，減小橫搖角;規劃好上層建筑的層數，盡量減少受風面積;嚴格控制空船重量和重心高度，限定內舾裝的重量;線型設計時適當增加橫穩心高度。

客滾船由于結構特點，貨艙是縱通的，無水密的橫向艙壁，造成破損穩性緊張。為改善破艙穩性，可在船中部分的舷側設置縱艙壁，對機艙和小車艙這類大艙盡可能形成雙殼保護，減少舷側破損時的進水量;合理布置橫艙壁，在首尾適當縮小橫艙壁的距離，減少破損時的進水量，中部逐步增大間隔距離;邊艙寬度的設置既要保證經濟性，又要保證其對破艙穩性具有合適的貢獻，使滿足破艙穩性要求的GM值較為合適[7]。

6? ? ?小結

本船首先通過收集大量優秀客滾船的參數，繪制出無因次參數比較圖，為設計客滾船有關參數提供一定的參考指導作用，以此確定客滾船的主要參數;接著介紹了三種客滾船尾部線型樣式，并著重分析了它們的優缺點;然后采用CFD軟件對三種尾部線型進行計算分析，選定最合適的尾部線型為短尾鰭加人字架樣式;最后對選定的線型進行優化，包括浮心優化、前體優化和后體優化，并進行CFD軟件計算分析。結果表明優化后的線型可以降低總阻力約3.5%。

本文對此類船舶的開發設計具有一定的借鑒和指導意義。

參考文獻

[1]張敏健.客滾船開發與設計研究[J].船舶與海洋工程.2012（2）：21-26.

[2]張敏健. 中大型客滾船的線型與推進系統研究[J].船舶設計通訊.2010-03：26-30.

[3]顧耀軍，王麟. 16000總噸客滾船設計與建造技術[J].上海造船.2007（3）：21-24.

[4]李源. 客滾船經典船型探秘[J].中國船檢，2011（12）：52-56.

[5]雷林，孫鵬，李名毅. 98m客滾船阻力優化設計研究[J].船海工程.2008-12-25：6-9.

[6]SHIPFLOW DESIGN TUTORIALS? 2015-04-16.

[7]楊葆和.船舶設計實用手冊-總體分冊[M].北京，國防工業出版社（第3版），2013.