魏菲菲

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

30 000 m3LNG船線型設(shè)計(jì)與優(yōu)化

魏菲菲

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

以30 000 m3LNG船線型設(shè)計(jì)為背景，研究了2種推進(jìn)型式，為該類采用吊艙式推進(jìn)器船型的線型設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。使用FRAMEWORK軟件和SHIPFLOW軟件對(duì)由母型船初始變換過(guò)來(lái)的單槳和雙吊艙線型進(jìn)行阻力方面的優(yōu)化，并最后進(jìn)行了船模試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示優(yōu)化后的線型性能指標(biāo)優(yōu)良。

FRAMEWORK軟件；SHIPFLOW軟件；阻力優(yōu)化；船模試驗(yàn)

Abstract:Based on the lines of a 30 000 m3LNG carrier，two propulsion types were researched，accumulating experience of lines design of ships with PODs.By means of FRAMEWORK and SHIPFLOW software，resistance performance of two different lines was optimized among which were the one transferred from parent ship with single screw and the other with POD.Both lines were proved by model tests，showing an outstanding performance after optimization.

Keywords:FRAMEWORK software；SHIPFLOW software；resistance optimization；model tests

0 前言

21世紀(jì)液化天然氣作為綠色能源已得到世界各國(guó)的重視，液化天然氣海上運(yùn)輸船的開(kāi)發(fā)與研究正如火如荼地進(jìn)行，世界LNG船市場(chǎng)將十分興旺。未來(lái)五年，小型LNG接收站投資活躍，全球?qū)π⌒蚅NG船（7 500～30 000 m3）的需求將穩(wěn)步增長(zhǎng)。預(yù)測(cè)到2020年，全球市場(chǎng)年均LNG新造船訂單為40～50艘，30 000 m3LNG船就是在這樣的背景下設(shè)計(jì)建造的。

1 主要船型參數(shù)

文中所述的船型為裝載量30 000 m3的LNG船。其主要參數(shù)如下：

2 線型設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)單槳型式

由上述主要船型參數(shù)可以看出該船的特點(diǎn)是長(zhǎng)寬比Lpp/B尚可，淺吃水即寬度吃水比B/T很大，傅氏數(shù)Fn類似于多用途船。鑒于以上特點(diǎn)，選取船型數(shù)據(jù)庫(kù)中1艘載重量在30 000噸級(jí)的多用途船作為母型船，變換得到初步線型方案。

將初步線型使用 CFD軟件SHIPFLOW［1］和優(yōu)化軟件 FRAMEWORK［2］進(jìn)行線型優(yōu)化。

優(yōu)化線型與變換的初始線型相比，首部在17站之前大幅收瘦，最大收幅達(dá)到800 mm左右，從16站之后增大橫剖面寬度，最大增幅大約300 mm。同時(shí)顯著降低球首高度，由初始的8.690 m降至7.358 m，球首長(zhǎng)度增長(zhǎng)0.116～5.200 m，球首最大寬度與半寬的比值由0.1443變?yōu)?.1348，寬度稍有減小。尾部尾封板距基線的高度下降1.274 m，尾封板附近區(qū)域排水量大幅下移，即將排水量增大到尾部外側(cè)。與初始線型相比，尾部的水線加寬了不少。綜合首尾修改來(lái)看，浮心位置顯著后移，由舯前2.464%Lpp變?yōu)?.745%Lpp。

優(yōu)化前后的波形比較見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 優(yōu)化線型（上）與初始線型（下）SHIPFLOW計(jì)算自由表面波形比較1

圖2 優(yōu)化線型（淺色）與初始線型（深色）船體表面波高比較2

圖3 優(yōu)化線型（淺色）與初始線型（深色）船體表面波高比較3

圖4 優(yōu)化線型（上）與初始線型（下）表面壓力分布

從圖1～圖4可以看出，優(yōu)化后的線型無(wú)論在波形上還是表面壓力分布的均勻上都有了顯著改善，計(jì)算得到的數(shù)值結(jié)果也充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)。表征興波阻力系數(shù)的Cw（由船體表面壓力積分計(jì)算獲得）由 0.845 6×10-3下降至 0.596 0×10-3，Cwtwc（由尾后截面積分計(jì)算獲得）由0.402 2×10-3下降至0.173 7×10-3，黏壓阻力系數(shù) Cpv由 0.719 7×10-3下降至 0.551 0×10-3，摩擦阻力因數(shù)基本不變。從槳盤(pán)面伴流分布的均勻程度來(lái)看，均勻度有所提高，高伴流區(qū)域處的渦流減弱（見(jiàn)圖5），說(shuō)明優(yōu)化后的線型更有利于設(shè)計(jì)槳取得較高的推進(jìn)效率。

圖5 初始線型（左）與優(yōu)化線型（右）槳盤(pán)面處伴流分布

優(yōu)化后的線型在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的拖曳水池中進(jìn)行了備用槳船模試驗(yàn)，船?？s尺比25.9524，船模垂線間長(zhǎng)6.743 1 m，槳模直徑210 mm。該試驗(yàn)尺度的選擇對(duì)取得較為精確的數(shù)據(jù)和做出比較可靠的航速預(yù)報(bào)是有利的。

試驗(yàn)結(jié)果大大超出了目標(biāo)航速16.5 kn，達(dá)到17.01 kn（見(jiàn)圖6），證明優(yōu)化的線型性能非常優(yōu)秀。

圖6 設(shè)計(jì)吃水下預(yù)報(bào)的vs-Pd曲線

2.2 雙吊艙推進(jìn)型式

該船采用C型雙葉罐壓力艙（bi-lobe）作為貨物圍護(hù)系統(tǒng)。出于破艙穩(wěn)性的要求考慮，采用4個(gè)罐子的設(shè)計(jì)，且上層建筑安排在船尾，重心比較靠后，因此已試驗(yàn)的單槳船線型由于浮心位置太靠前，為舯前1.745%Lpp，浮態(tài)穩(wěn)性較差，加之LNG船通常寬吃水比B/T比較大，吃水很淺，為兼顧滿足操縱性優(yōu)良等的要求，在傳統(tǒng)單槳型式線型達(dá)到并超過(guò)目標(biāo)航速的情況下，嘗試設(shè)計(jì)尾部適用雙吊艙推進(jìn)型式的線型［3］。

由于可供使用參考的吊艙推進(jìn)船型很有限，難以找到尺度相近的母型船，選用了1艘方形系數(shù)相對(duì)較小的輪渡做為母型船。在主機(jī)選取時(shí)又根據(jù)單槳型式的線型模型試驗(yàn)結(jié)果，降低了主機(jī)功率。這使得本次線型的設(shè)計(jì)難度陡增。對(duì)于變換后得到的初步線型，借助CFD工具和FRAMEWORK優(yōu)化工具進(jìn)行阻力方面的優(yōu)化。

優(yōu)化線型與變換的初始線型相比，整個(gè)首部都收瘦了，縱向方向16站之前收幅較大，垂向方向，滿載水線附近收幅最大，最大收幅約1 800 mm，以下依次減小。初始線型的橫剖面呈現(xiàn)“V”型特征，優(yōu)化后的線型則呈現(xiàn)略“U”型。同時(shí)顯著降低球首高度，由初始的7.720 m降至6.980 m，球首長(zhǎng)度縮短0.205～5.198 m，球首最大寬度與半寬的比值由0.142 0變?yōu)?.140 3，寬度稍有減小。尾部尾封板距基線的高度保持與初始線型一致，尾封板距AP的距離根據(jù)總長(zhǎng)的限制，縮短了1.114 m。綜合首尾修改來(lái)看，浮心位置顯著后移，由舯前0.418%Lpp變?yōu)轸焙?0.338%Lpp。

優(yōu)化前后的波形比較見(jiàn)圖7～圖10。

圖7 優(yōu)化線型（上）與初始線型（下）SHIPFLOW計(jì)算自由表面波形比較1

圖8 優(yōu)化線型（淺色）與初始線型（深色）船體表面波高比較2

圖9 優(yōu)化線型（淺色）與初始線型（深色）船體表面波高比較3

圖10 優(yōu)化線型（上）與初始線型（下）表面壓力分布

從圖7～圖10可以看出，優(yōu)化后的線型由于浮心位置Lcb較初始線型后移，導(dǎo)致船體兩側(cè)波形得到較大改善，但船尾后方波形較初始線型惡劣。對(duì)比初始線型和優(yōu)化線型的SHIPFLOW計(jì)算數(shù)據(jù)：表征興波阻力系數(shù)的Cw（由船體表面壓力積分計(jì)算獲得）由 0.403 0×10-3下降至 0.240 1×10-3，而 Cwtwc（由尾后截面積分計(jì)算獲得）由0.473 3×10-3上升至0.593 6×10-3，黏壓阻力系數(shù) Cpv由 0.717 7×10-3下降至 0.588 1×10-3，摩擦阻力因數(shù) Cf卻由 2.751×10-3上升至 2.819×10-3， 總阻力系數(shù) Ct若用 Cw計(jì)算，由3.872×10-3下降至 3.647×10-3，若用 Cwtwc計(jì)算，則由3.942×10-3上升至4.001×10-3。由此也可以看出浮心位置后移，改善了首部及船體兩側(cè)波形，但對(duì)船尾波形有不利影響。

從尾部伴流分布的均勻程度來(lái)看，優(yōu)化后的線型較之前略有劣勢(shì)，見(jiàn)圖11。但由于使用吊艙推進(jìn)型式，槳前方來(lái)流較之單槳線型順暢，且雙槳激振力通常比單槳要小，因此初步認(rèn)為對(duì)槳的設(shè)計(jì)影響不大。

優(yōu)化后的線型在荷蘭的MARIN水池進(jìn)行了阻力及自航試驗(yàn)。備用槳采用2種不同廠商的吊艙推進(jìn)模型進(jìn)行試驗(yàn)，型號(hào)分別為AZPOD1400和AZP150，如圖12所示。

圖 12 AZPOD1400（左）與 AZP150（右）備用槳模型

試驗(yàn)結(jié)果證明采用2種吊艙推進(jìn)型式均達(dá)到了16.5 kn的航速指標(biāo)，見(jiàn)圖13。在設(shè)計(jì)航速16.5 kn時(shí)，雖然AZP150型吊艙推進(jìn)模型比AZPOD1400型推進(jìn)效率高出2.66%，但其轉(zhuǎn)速比AZPOD1400型低10 r，并且軸系損失為5%（該數(shù)據(jù)由廠商提供），而AZPOD1400型僅為0.5%（該數(shù)據(jù)由廠商提供），所以最終結(jié)果AZPOD1400型吊艙推進(jìn)型式航速高。不過(guò)因?yàn)槠渌矫嬖颍瑬|最后選擇了AZP150型吊艙推進(jìn)器。

圖 13 AZPOD1400（左）與 AZP150（右）吊艙形式 vs-Pd曲線

優(yōu)化后的線型在MARIN的數(shù)據(jù)庫(kù)相似船型中達(dá)到了VERY GOOD，水池對(duì)于伴流的評(píng)價(jià)也是GOOD，并且浮心位置為舯后0.331%Lpp，很好地滿足了總體布置的需要。具體見(jiàn)圖14～圖15，圖14為海軍系數(shù)比較，該系數(shù)越大性能越好。

圖14 海軍系數(shù)比較（實(shí)心大圈為該船，空心小圈為MARIN數(shù)據(jù)庫(kù)船型）

圖15 MARIN水池對(duì)該船線型的評(píng)價(jià)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證該型LNG船單槳線型與雙槳線型，盡管2次試驗(yàn)水池有所不同，但依然可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是表征阻力性能的Fn-Cr曲線還是推進(jìn)效率ηD的數(shù)據(jù)比較，均顯示單槳線型在性能上的優(yōu)勢(shì)，單槳線型仍然是性能方面的首選，見(jiàn)圖16和表1。但在實(shí)船設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮多方因素，例如長(zhǎng)寬比Lpp/B較短、吃水T較淺、浮心位置Lcb受限、總體布置及穩(wěn)性、操縱性（主要是航向穩(wěn)定性）等限制，以最終確定船舶的推進(jìn)方案。

圖16 單槳線型與雙槳線型剩余阻力性能比較

30 000 m3LNG船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院（SDARI）自主開(kāi)發(fā)的LNG船型，通過(guò)主尺度論證選定，線型優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果分析比較，證明優(yōu)化后的線型阻力、推進(jìn)性能均較優(yōu)，其快速性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，豐富了SDARI的數(shù)據(jù)庫(kù)，并為將來(lái)吊艙推進(jìn)線型的設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］FLOWTECH 公司.SHIPFLOW 4.6 User manual［G］.2011.

［2］FRIENDSHIP SYSTEMS 公 司 .FRIENDSHIP-Framework User Guide［G］.2012.

［3］陳可越.船舶實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)——總體分冊(cè)［M］.北京：中國(guó)交通科技出版社，2007.

Design and Optimization of Lines of a 30 000 m3LNG Carrier

WEI Fei-fei

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

U674.13+3

A

1001-4624（2017）01-0014-06

2017-03-06；

2017-06-10

魏菲菲（1982—），女，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事船舶線型設(shè)計(jì)工作。