超大型液化石油氣船線型優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高玉玲1，陳霞萍1，柳衛(wèi)東2，陳兵2

(1. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135;

2. 江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

摘要:為開(kāi)發(fā)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的超大型液化石油氣船(VLGC)船型，并為我國(guó)船廠獲得VLGC的訂單提供技術(shù)支持，基于CFD數(shù)值分析對(duì)VLGC進(jìn)行設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)的線型優(yōu)化研究。優(yōu)化的線型波形平緩，船體表面壓力分布均勻，艉部槳盤(pán)面伴流分布均勻，模型試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果吻合良好。模型試驗(yàn)結(jié)果表明，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)的線型阻力低，能效高，船舶航速指標(biāo)先進(jìn)。對(duì)開(kāi)發(fā)的新船型進(jìn)一步開(kāi)展不同縱傾壓載狀態(tài)的比較試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，合理地調(diào)整壓載縱傾值能有效改善壓載狀態(tài)的阻力性能，降低能耗。

關(guān)鍵詞:超大型液化石油氣船； 線型優(yōu)化； 計(jì)算流體力學(xué)； 模型試驗(yàn)

收稿日期：2014-12-05

作者簡(jiǎn)介：高玉玲(1982—)，女，重慶人，副研究員，碩士，主要從事船舶性能研究。

文章編號(hào)：1674-5949(2015)02-015-04

中圖分類號(hào)：U674.13+3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Hull form Optimization and Model Tests for a Very Large Gas Carrier

GaoYuling1,ChenXiaping1,LiuWeidong2,ChenBing2

(Shanghai Ship and Shipping Research Institute, State Key Laboratory of Navigation and Safety

Technology, Shanghai 200135, China；Jiangnan Shipyard (Group) Co.,LTD, Shanghai 201913，China)

Abstract:The market of the design and building of Very Large Gas Carrier (VLGC) have been dominated by foreign countries. In order to develop competing hull form to help Chinese shipyards to win VLGC orders on world market, a VLGC hull form is designed and optimized at design draft by means of CFD method and the results show that the optimized lines had flat wave profile, uniform pressure distribution on the hull and uniform wake field on propeller disk astern. The model tests show that the optimized hull form has low resistance and high energy efficiency which agree with the CFD results. The newly developed hull form has a speed index which reaches the world advance level. The hull form design is finalized according to the model test research on different combination of ballast draughts and trims. The research indicates that reasonable ballast can improve the resistance performance, hence, reducing energy consumption.

Key words: VLGC; hull form optimization; Computational Fluid Dynamics; model test

0引言

液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas, LPG)是天然氣生產(chǎn)和原油精煉衍生產(chǎn)品，其運(yùn)輸通常由液化氣船來(lái)承擔(dān)。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，液化氣船逐漸由小型的全壓式液化氣船發(fā)展到低溫、大容量運(yùn)輸為主的半冷半壓式和全冷式液化氣船。受市場(chǎng)容量和碼頭設(shè)施的限制，近年來(lái)液化氣船的發(fā)展并沒(méi)有出現(xiàn)更大型化的趨勢(shì)。但隨著液化氣海運(yùn)量逐漸增加，出于航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性考慮，中長(zhǎng)距離干線運(yùn)輸?shù)囊夯瘹獯笮突较虬l(fā)展，超大型全冷式LPG船(Very Large Gas Carrier, VLGC)的發(fā)展速度加快，船齡20年以上的老齡船將被淘汰。另外，由于未來(lái)中東地區(qū)LPG的出口增加而目前VLGC船隊(duì)運(yùn)力短缺，因此VLGC的市場(chǎng)前景被看好。

在全球提倡航運(yùn)節(jié)能、綠色船舶、綠色航運(yùn)的大背景下，高能效船舶充滿吸引力，其能更好地滿足公約規(guī)范的環(huán)保要求，滿足社會(huì)對(duì)節(jié)能環(huán)保的訴求，同時(shí)還可降低運(yùn)營(yíng)成本。在船型研發(fā)中，從船舶自身特性角度考慮，優(yōu)化船舶的線型設(shè)計(jì)是降低船舶航行阻力最直接有效的方法。通過(guò)優(yōu)化船型設(shè)計(jì)可以在一定的主機(jī)功率下有效降低燃料消耗率，提高船舶速度和載重量。

VLGC用途特殊，因此技術(shù)要求高、建造難度大，是一種代表當(dāng)今世界造船技術(shù)水平的高技術(shù)、高附加值船型[1]。近年來(lái)，VLGC的船型開(kāi)發(fā)和建造長(zhǎng)期被日韓壟斷，為了開(kāi)發(fā)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的船型，并為我國(guó)船廠贏得VLGC訂單提供技術(shù)支持，采用數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)相結(jié)合的手段對(duì)VLGC進(jìn)行線型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。優(yōu)化設(shè)計(jì)的船型具有阻力低、能效高的特點(diǎn)。結(jié)果表明，在相同收到功率下，優(yōu)化設(shè)計(jì)的船型指標(biāo)先進(jìn)，油耗低，航速、功率指標(biāo)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，為我國(guó)船廠成功承接VLGC的建造提供了技術(shù)支持。

1主尺度的選取

目前，公認(rèn)的VLGC標(biāo)準(zhǔn)船型為上一代的78 500 m3VLGC和新一代的82 000~84 000 m3VLGC，新近交付的VLGC的艙容都超過(guò)了80 000 m3。日韓建造的超過(guò)80 000 m3的VLGC以及此處新開(kāi)發(fā)船型的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　日韓建造的VLGC和新開(kāi)發(fā)船型的主要參數(shù)

根據(jù)市場(chǎng)需求、航線要求、《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體、船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(IGC規(guī)則)要求等確定VLGC的主尺度。我國(guó)VLGC船型的開(kāi)發(fā)起步較晚，要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲取訂單，新開(kāi)發(fā)出的船型在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上必須達(dá)到甚至超過(guò)目前日韓船型水平。在滿足總體及機(jī)艙布置要求的前提下，如何開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出低阻高效的優(yōu)秀線型，在要求主機(jī)功率下達(dá)到預(yù)期的船速指標(biāo)，是本項(xiàng)目面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

目前，船舶CFD(Computational Fluid Dynamics)方法已成為新船型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中水動(dòng)力性能分析和預(yù)報(bào)的重要手段?；趧?shì)流理論[2-3]計(jì)算船舶興波阻力，得到全船波系形態(tài)、壓力分布、速度分布等流場(chǎng)特性，指導(dǎo)船型艏部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，基本能滿足工程應(yīng)用需求。隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和計(jì)算技術(shù)不斷提高,粘性流體力學(xué)對(duì)船舶艉部流動(dòng)的預(yù)報(bào)精度有了很大的提高[3]。因此，可以對(duì)船舶流場(chǎng)進(jìn)行定性和定量的計(jì)算分析，得到螺旋槳盤(pán)面速度分布、艉部速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及邊界層的分離情況，幫助線型設(shè)計(jì)師形成艉部線型優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，改進(jìn)船舶性能。此處就快速性方面應(yīng)用CFD方法對(duì)船舶阻力和艉部流場(chǎng)進(jìn)行定性與定量分析，提出線型優(yōu)化的方向和方案，逐步優(yōu)化，尋求具有較佳流場(chǎng)特性和阻力性能的線型；同時(shí)，進(jìn)行模型試驗(yàn)，對(duì)線型優(yōu)化方案進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

2線型優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1初步線型分析

本船原型為經(jīng)過(guò)前期優(yōu)化的性能較為優(yōu)良的船型，模型試驗(yàn)結(jié)果表明，該船型的船速無(wú)法達(dá)到要求的指標(biāo)。項(xiàng)目以該船型為初步線型進(jìn)行CFD計(jì)算分析與優(yōu)化。

1) 采用勢(shì)流理論對(duì)原型M0進(jìn)行興波阻力計(jì)算分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，船身整體波形平緩(見(jiàn)圖1和圖2)，但肩部興波相對(duì)明顯，船體前部局部表面壓力分布不均勻(圖3)，在舯前15#~18#站舭部和肩部低壓區(qū)較明顯，艉部2#~4#站舭部低壓區(qū)也較明顯；結(jié)合該船型的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，盡管該船的剩余阻力系數(shù)不大，但其線型在降低阻力方面還有優(yōu)化的空間。

2) 應(yīng)用粘性流體力學(xué)計(jì)算分析艉部流場(chǎng)，主要考察艉部是否出現(xiàn)流動(dòng)分離、螺旋槳盤(pán)面的伴流分布情況以及流線的走勢(shì)等。從壓力分布和流線走勢(shì)(圖4)可知，艉部局部出現(xiàn)流動(dòng)分離，有舭渦存在；考察槳盤(pán)面處的速度分布圖(圖5)可以看出，伴流分布較均勻。

圖1　波形分布(上側(cè)為M0，下側(cè)為M1)

圖2　沿船體縱切波分布

圖3　船體表面壓力分布(上為M0，下為M1)

圖4　船艉壓力分布和流線走勢(shì)(上為M0,下為M1)

2.2線型優(yōu)化

本船設(shè)計(jì)航速對(duì)應(yīng)傅氏數(shù)Fn=0.19，興波阻力在總阻力中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，艏部利用球艏波系與船體波系產(chǎn)生有利干擾，波系峰谷疊加，總波高降低，從而減小興波阻力[4]。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)都表明原型M0船身波形平緩，球艏波系與船體波系產(chǎn)生有利干擾。因此，優(yōu)化時(shí)基本保持原船型M0球艏長(zhǎng)度和縱向輪廓不變，對(duì)艏部橫剖面形狀進(jìn)行優(yōu)化，主要改善低壓明顯的區(qū)域，使船體表面壓力分布變得均勻，降低壓阻力。

針對(duì)艉部線型，重點(diǎn)改善2#～4#站區(qū)域內(nèi)舭部壓力分布，減小艉部壓力梯度，降低粘壓阻力，并進(jìn)一步改善艉部流態(tài)，使其更有利于螺旋槳的工作，以進(jìn)一步提高船舶的推進(jìn)效率。

最終優(yōu)化方案M1的CFD計(jì)算結(jié)果表明，船身波平緩，船艏肩波明顯改善(如圖1和 圖2所示)，艉波峰有所減小，船體表面艏部和艉部低壓區(qū)域明顯改善(如圖3所示)，整個(gè)船體表面壓力分布更加均勻，艉部壓力梯度減小，螺旋槳盤(pán)面伴流場(chǎng)更加均勻(如圖5所示)。

3船模試驗(yàn)研究

對(duì)最終優(yōu)化的線型進(jìn)行模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)波形與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好，整個(gè)船身波形平緩，艏部無(wú)破波現(xiàn)象；試驗(yàn)結(jié)果表明，剩余阻力系數(shù)下降明顯(見(jiàn)圖6)，總阻力系數(shù)降低7%左右，由于優(yōu)化線型M1的濕表面積比原型M0增加了1%，總的減阻效果約達(dá)到6%；艉部流態(tài)較好，船身效率較高，在設(shè)計(jì)航速附近，推進(jìn)效率提高近4%，收到功率降低近10%，即總體能耗降低近10%。在90% 主機(jī)連續(xù)輸出功率下，考慮15% 海上風(fēng)浪裕度，該船服務(wù)航速達(dá)到16.85 kn。

壓載吃水試驗(yàn)時(shí)，艏部有頂水現(xiàn)象，船身波形變差，剩余阻力系數(shù)較設(shè)計(jì)吃水有所增加，仔細(xì)分析船型特征和模型試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)吃水的波形平緩順暢，而壓載時(shí)艏吃水處艏部進(jìn)流角較大，艏部頂水，形成較大的首波，且有首波破碎現(xiàn)象，剩余阻力系數(shù)較大。為探求壓載浮態(tài)對(duì)航行性能的影響，基于目前CFD理論方法還較難解決縱傾優(yōu)化問(wèn)題[7]，考慮適當(dāng)調(diào)整壓載吃水浮態(tài)，設(shè)計(jì)4個(gè)可行方案，進(jìn)行不同縱傾吃水的模型試驗(yàn)研究。在設(shè)計(jì)航速時(shí)，剩余阻力系數(shù)隨縱傾角的變化曲線見(jiàn)圖7。

圖6　設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)剩余阻力系數(shù)比較曲線

圖7　壓載剩余阻力系數(shù)隨縱傾角變化曲線

從圖7中可以看出,船舶剩余阻力隨著縱傾的增大呈遞減趨勢(shì)，當(dāng)縱傾到一定程度時(shí)，阻力降低幅度減小，在其他船型的縱傾試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),縱傾達(dá)到一定程度，阻力反而增加，因此存在阻力最小的最佳縱傾。當(dāng)然，在工程實(shí)際應(yīng)用中首先要考慮實(shí)用性，在此基礎(chǔ)上盡可能選用阻力較小的縱傾狀態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)

1) 基于CFD 數(shù)值模擬技術(shù)研發(fā)的VLGC線型，船舶阻力低，艉流場(chǎng)均勻，推進(jìn)性能好，設(shè)計(jì)狀態(tài)快速性能優(yōu)良，能耗低，航速功率指標(biāo)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，為我國(guó)承接VLGC的設(shè)計(jì)和建造提供了技術(shù)支持。

2) 采用勢(shì)流理論計(jì)算分析能直觀地顯示出運(yùn)動(dòng)船體周?chē)牧鲌?chǎng)、波形、壓力分布等水動(dòng)力特性，是目前及未來(lái)船型優(yōu)化的重要手段。在船型優(yōu)化過(guò)程中，不只看波形是否有明顯改善，船體表面的壓力分布對(duì)阻力也有重要影響。波形平緩、船體表面壓力分布均勻的船型，減阻效果明顯。

3) 合理地調(diào)整壓載吃水的縱傾值能有效改善壓載狀態(tài)的阻力性能，降低能耗。鑒于目前主要依靠試驗(yàn)手段進(jìn)行縱傾優(yōu)化，發(fā)展基于CFD計(jì)算分析技術(shù)的船舶縱傾優(yōu)化是未來(lái)船型優(yōu)化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

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