隱形球首在豪華郵輪上的應用研究

王 亮，潘逸濤，王 冕，鐘 凱

(1. 中船郵輪科技發展有限公司，上海 200137；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

近年來，隨著豪華郵輪市場的快速增長，誕生了大量不同于以往郵輪的新船，郵輪市場的船型逐漸趨于豐富化。在整體的船型趨勢發展上，國內已有大量學者進行了研究。董婧[1]對郵輪發展史上一系列代表性船型的參數作了分析，總結了世界郵輪發展大型化趨勢。王諾[2]的研究指出，為避免船舶吃水顯著增加，現代郵輪呈現出“肥大型”的發展趨勢。張言慶等[3]曾對郵輪船型發展趨勢作出分析，指出郵輪船型大型化和郵輪船隊規模化是現代郵輪業發展的顯著趨勢。李華等[4]從關鍵參數角度對當時全球在營的228艘豪華郵輪的關鍵船型參數進行了統計分析，除了以上的趨勢外，還指出郵輪產業日趨明顯的低碳環保趨勢。

在研究船型的時候，首先需要進行的即是郵輪的船首開發。經歷了上千年的發展，已經誕生了極為豐富的船首，包括沖角首、垂直首、雙曲線首、勺形首、飛剪首、傾斜首、球鼻首和破冰首等。到了現代，又出現了一些新型的船首，如烏斯坦的X型首和達門的斧型首。在現代豪華郵輪的設計中，主要采用的是前傾首和球鼻首的組合，即水線以下是球鼻首，水線以上是前傾首的船首類型，目的是盡可能地壓住或者劈開海浪，以便郵輪達到更高的航速。而當船首下沉時，向外飄的曲線也可以使水下體積呈指數級增長，從而導致浮力快速增長，船首更快復位，大大提高了縱搖穩定性，減少了埋首現象，阻止了海浪沖上甲板。

近年來，隨著郵輪市場需求的高速增長和船廠建造能力的提高，豪華郵輪船型又出現了新的趨勢，垂直首再次被郵輪設計者所采用，其主要的優勢除了拉長的水線有利于增加船體的長寬比，便于快速航行，減少船舶能耗之外，波浪砰擊和水動噪聲也優于外伸的球鼻首，而唯一的缺點是船體易上浪，但現代的豪華郵輪動輒十幾萬噸的體量，干舷比較富裕，首部距離水面的距離足夠高，因此難以上浪，盡可能地減少了直首帶來的不利影響[5-6]。目前采用該類型船首的郵輪有AIDA郵輪的prima號和perla號、Celebrity郵輪的Edge號和Apex號、Virgin郵輪的Scarlet lady號等。此外，還有采用“垂直首+小球首”組合船首的Costa Smeralda號，均為近幾年才下水的新船。

以上的船型外形可以總結為如圖1所示的2種船首類型。

圖1 兩種船首示意圖Fig. 1 Schematic diagram of two types of bow

1 模型的建立及計算

水線以下為球鼻首，以上為前傾首的船型在郵輪行業經歷了一定時間的發展，是目前的主流船型，以下稱為常規球首船型，帶有隱形球首的垂直首船型以下則稱為隱形球首船型。根據球鼻首的設計原理，球鼻首的主要作用機理是通過預先產生興波來對船首水線處產生的興波進行抵消，以減小興波阻力，顯然隱形球首船型設計之初的目的與常規球鼻首存在本質性的區別。

1）要進行船舶設計的基礎考慮，即主尺度要素的考慮，主尺度選擇是否合適直接影響后續設計工作，因此選擇適當的主尺度尤為重要。傳統船舶設計的主尺度包括長L、寬B和吃水T等，在進行郵輪的研究時則需要考慮注冊總噸位GRT，載客量和艙室數量等因素。經過綜合的考量后，將本文建立的2種郵輪定位為15萬總噸，最終選擇的2種船型的主參數如表1所示。為了方便計算選擇了42.8的縮尺比，后續的結果也是縮尺后的結果對比。

表1 兩種船型主要參數對比Tab. 1 Comparison of main parameters of two types of ships

2）在剖析豪華郵輪設計中隱形球首船型出現的原因時，需要確認本文研究所需要考慮的2種船首具體的形狀，因此分別繪制了常規球首船型和隱形球首船型的型線圖，以便通過CFD軟件STAR-CCM+計算對比獲取船型的特征和快速性性能，具體如圖2所示。

圖2 兩種船艏模型的型線圖Fig. 2 Line plans of two types of bow

3）利用上述2種模型的型線圖對2種船首模型進行建模，劃分網格，分別獲得模型的表面計算網格，具體如圖3所示。

圖3 兩種船首船型的表面網格對比Fig. 3 Comparison of surface mesh of two types of bow

建立以上2種模型的主要目的是通過STAR-CCM+進行CFD計算，得出隱形球首船型與常規球首船型的優劣所在，分析隱形球首在豪華郵輪行業應用的前景，明確設計和優化的方向。

2 計算結果分析

2.1 數值結果的對比

為了更好地對比船型在設計航速附近的快速性，分析了2種船型分別從18 kn到36 kn的阻力。這種研究方法的原因主要由2種，一是由于了解到目前運營的豪華郵輪航速普遍在18～25 kn左右，需要明確2種船首模型在郵輪正常航速區間內的船型性能；二是需要通過高速航行時2種船首模型的阻力變化明確船型的興波阻力劇烈變化的臨界速度Vc，該參數往往決定了設計的船型方案最為合適的最高航速。

對比常規球首和隱形球首的總阻力-航速曲線以及興波阻力-航速曲線，如圖4所示。

獲取常規球首和隱形球首分別在18，22和25 kn時的波形圖，主要目的是對比2種船型在不同服務航速段時的波形特征，如圖5所示。可以發現波形整體上沒有明顯的差異，主要的差異在于隱形球首船型整體上保持得較為均勻，主要是船首部和尾部存在較高的興波，常規球首船型的首部則擁有更高更明顯的興波。

2.2 隱形球首船型的特征

通過上述的數據和圖示可以發現，常規船首和隱形球首在郵輪通常的服務航速段即18～25 kn之間，總阻力的差異并不明顯，呈現出的趨勢為：在18～20 kn航速段內，隱形球首的阻力更小；在20～23 kn航速段內，常規球首的阻力更小；在23～25 kn航速段內，隱形球首的阻力再次小于常規球首。

圖4 兩種船型的阻力對比圖Fig. 4 Resistance comparison of two types of ships

圖5 兩種船型的波形對比圖Fig. 5 Waveform comparison of two types of ships

本文在建立隱形球首的模型時，考慮的是整體的總長、船寬和排水量保持不變，主要是通過調整首部線型，拉長水線的方式來完成，因此隱形球首模型具有更大的水線長寬比。從圖4（b）的結果中可以清晰地看到本文建立的隱形球首的興波阻力小于常規球首，證明在興波阻力的表現上，隱形球首拉長的水線和隱形球首的設計帶來的興波減小整體上優于常規球首船型的興波阻力。與此相對，更長的水線也會帶來更大的濕表面積，同時帶來更大的摩擦阻力，因此在選擇2種船首時，需要考慮摩擦阻力增大和興波阻力減小的影響。

以上發現整體上符合球鼻首的作用機理，對于附帶常規球鼻首的豪華郵輪，在適當的航速段內（如圖5所列舉的22 kn左右），其快速性略優于附帶隱形球首的豪華郵輪，具體合適的航速段選取則可以回顧圖4（b）的興波阻力曲線，在28～29 kn之間，常規球首船型經歷了興波阻力的驟升，達到了該船型的興波阻力臨界速度。為了更好地規避臨界速度Vc，往往可以選擇75%的臨界速度Vc作為設計航速。根據以上考慮，對于本文所建立的常規球首船型，設計航速可以在21～21.75 kn之間考慮，恰好處于圖4（a）中常規球首總阻力小于隱形球首的區間。

圖4（b）中顯示隱形球首的阻力變化較為緩和，倘若在設計時有特殊需求，比如最高達到25 kn以上的橫跨大西洋高速航線，或船東日趨關注的18 kn左右經濟航速下的性能，則可以考慮采用隱形球首的設計，而且本文所建立的模型僅為對比驗證，尚有很大的優化空間。

3 結 語

本文主要通過總結目前豪華郵輪市場出現的新船型趨勢，對附帶隱形球首的垂直船首進行了建模，并且通過CFD計算，與傳統的球鼻首進行了對比，得到以下結論：

1）在近5年，出現了不少擁有隱形球首的豪華郵輪，雖然也有類似于球鼻首的結構，但作用機理與傳統球首并不同。

2）在保持主尺度和排水量不變的情況下，本文建立的隱形球首船型相較于常規球首船型而言，興波阻力更小，總阻力在20～23 kn區間內稍大，其余航速段更小。

本文通過在常規球首船型基礎上拉長水線的方式建立了隱形球首船型，外形接近于AIDA prima號郵輪，這可能并不是最優的設計思路，僅作為參考，該船型仍有很大的設計和優化空間。