川江及三峽庫區(qū)化學(xué)品標(biāo)準(zhǔn)船設(shè)計(jì)＊

廖國紅，劉一平，董元?jiǎng)?/p>

（1.華中科技大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063；3.三峽大學(xué) 土木水電學(xué)院，湖北 宜昌443000）

舉世矚目的長江三峽工程，將使川江和三峽庫區(qū)航運(yùn)條件和通航環(huán)境發(fā)生重大變化，以川江為例，其航運(yùn)能力將由現(xiàn)在的1 100萬t／年提高到5 000萬t／年［1］。

與此同時(shí)，川江和庫區(qū)化學(xué)品運(yùn)輸市場也在穩(wěn)步擴(kuò)大，而作為川江和三峽庫區(qū)化學(xué)品主要運(yùn)輸工具的化學(xué)品船的狀況卻不容樂觀?，F(xiàn)有的船舶基本上仍是按照急流航段的特征進(jìn)行設(shè)計(jì)建造的，不能滿足未來化學(xué)品品種多樣化的需求。

1 主要問題

縱觀川江及三峽庫區(qū)化學(xué)品船的現(xiàn)狀，主要存在以下問題［2］。

1）大部分船舶載量偏小，船型雜亂，嚴(yán)重影響了長江航道、船閘等通航設(shè)施通過能力的發(fā)揮，不利于大壩閘室過壩的調(diào)度和過壩能力的提高。

2）就1 000t以上的化學(xué)品自航船而言，其技術(shù)性能與規(guī)范化的化學(xué)品船相比，還有許多令人擔(dān)憂之處，充其量技術(shù)性能只能達(dá)到油船的要求，如結(jié)構(gòu)形式、液貨艙的防腐特涂、洗艙設(shè)備與過程、防污染設(shè)備等。

3）經(jīng)濟(jì)效益沒有得到充分發(fā)揮。船型未進(jìn)行科學(xué)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和實(shí)驗(yàn)，大多根據(jù)業(yè)主的經(jīng)驗(yàn)和短期的收益來規(guī)劃，盲目向大噸位發(fā)展，甚至建造出6 000t的化學(xué)品船，航道及過壩將受到影響，經(jīng)濟(jì)效益并不樂觀，化學(xué)品船裝運(yùn)化學(xué)品不多，大多數(shù)作為油船使用。

4）化學(xué)品船采取集中過壩的方式，由于該種船舶目前較少，等待過壩時(shí)間較長，通常在7天以上。

因此，迫切需要根據(jù)航道和運(yùn)輸市場等客觀條件的變化，設(shè)計(jì)開發(fā)出適合三峽成庫后航道特點(diǎn)，安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用的化學(xué)品標(biāo)準(zhǔn)船型。

2 標(biāo)準(zhǔn)船型概況

根據(jù)川江及庫區(qū)當(dāng)前化學(xué)品運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀和航道情況，考慮未來5～10年的發(fā)展，經(jīng)過廣泛深入的調(diào)研、船模實(shí)驗(yàn)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和設(shè)計(jì)優(yōu)化，推薦川江及三峽庫區(qū)化學(xué)品船標(biāo)準(zhǔn)船型的最佳噸位為：滿載吃水時(shí)，載貨1 000t級(jí)、2 000t級(jí)；結(jié)構(gòu)吃水時(shí)，載貨1 500t級(jí)、2 500t級(jí)的兩種船型作為川江及三峽庫區(qū)化學(xué)品運(yùn)輸?shù)闹髁Υ椭鞒叨燃耙匾姳?。

表1 化學(xué)品船主尺度及要素

兩種型號(hào)的化學(xué)品船均取船型優(yōu)化后的優(yōu)化船型，1 000t化學(xué)品船為U型首，對(duì)稱型梨形雙尾；2 000t化學(xué)品船為U型首，不對(duì)稱型預(yù)旋流雙尾。在設(shè)計(jì)過程中，特別注意了兩軸間距的選取，兩型化學(xué)品船兩軸間距均超過53%船寬。既有利于增大轉(zhuǎn)舵力矩，又可減少兩槳間的干擾，增大推進(jìn)效率。

兩型化學(xué)品船均為鋼質(zhì)、單甲板、混合骨架式全電焊結(jié)構(gòu)、雙底、雙殼、雙尾、傾斜首、雙槳、雙舵、柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的化學(xué)品船。雙底高度為800mm，雙殼間距為1 000mm。全船分為8個(gè)液貨艙，首、尾在清水艙和機(jī)艙與液貨艙之間設(shè)隔離空艙，液貨艙與江水、機(jī)艙、水艙、居住區(qū)隔離。機(jī)艙內(nèi)設(shè)置了專用的泵艙、集控室。主甲板為工作區(qū)，設(shè)置了專用的泵艙控制間、泡沫艙、CO2間、防護(hù)用品間等化學(xué)品船專用艙室。上二層甲板為船員生活區(qū)和駕駛室。所有艙室面對(duì)貨艙區(qū)的門窗及周邊門窗采用氣密。垂向通道采用兩套梯道，其中一套為內(nèi)部全封閉通道。貨艙區(qū)設(shè)三道橫跨液貨管道過橋，四周布置欄桿與兩舷走道分隔開。

設(shè)計(jì)船可長年航行于重慶至上海航線，適航于長江 A、B、C級(jí)航區(qū)J2級(jí)航段。航速為18km／h，續(xù)航力為2 500km。主要承運(yùn)甲醇、乙醇、丁醇、醋酸、醋酸丁脂、醋酸乙烯等污染級(jí)別為C、D的化學(xué)品。

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

20世紀(jì)60年代研究開發(fā)的雙尾船型經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為長江運(yùn)輸?shù)闹髁Υ?，并在其它?nèi)河水系廣泛應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果，受到了用戶的一致好評(píng)。但總體說來，雙尾技術(shù)對(duì)方形系數(shù)比較小的內(nèi)河客貨船而言是比較成熟的技術(shù)，而對(duì)淺吃水、寬吃水比及較大方形系數(shù)，尤其是方形系數(shù)在0.8以上的肥大型低速貨運(yùn)船舶，到目前為止，其型線形狀、水動(dòng)力性能等還未見到較為系統(tǒng)的研究成果。雖有實(shí)船航行，但基本上是借用或移植小方形系數(shù)雙尾船型的理論和特性，還有很多方面需要進(jìn)一步的研究。

在化學(xué)品標(biāo)準(zhǔn)船型型線的研究開發(fā)中，采用了實(shí)踐、理論和模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，利用船體型線生成交互設(shè)計(jì)與計(jì)算流體力學(xué)理論CFD綜合技術(shù)，借助船模試驗(yàn)，優(yōu)化川江和三峽庫區(qū)兩種化學(xué)品船舶線型。

3.1 船體型線生成交互設(shè)計(jì)

應(yīng)用計(jì)算機(jī)交互設(shè)計(jì)功能和可視化功能，型線設(shè)計(jì)的可分性和組合性原理，利用已有的雙尾船型數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)成果，進(jìn)行參數(shù)化分步形變?cè)O(shè)計(jì)，在分析國內(nèi)外較先進(jìn)的內(nèi)河船型基礎(chǔ)上，對(duì)雙尾進(jìn)行多種形狀、不同浮心位置、不同方形系數(shù)等變換的設(shè)計(jì)比較，配以水動(dòng)力計(jì)算，得出初步型線。圖1為變換中產(chǎn)生的圖形。

圖1 2 000t化學(xué)品標(biāo)準(zhǔn)型初步型線

所產(chǎn)生的初步型線經(jīng)過CFD的理論計(jì)算分析和模型試驗(yàn)，只需輸入幾個(gè)主要參數(shù)，就可生成修改后的更為優(yōu)秀的新的型線。

3.2 CFD計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)

應(yīng)用CFD對(duì)船舶性能進(jìn)行理論計(jì)算和性能預(yù)報(bào)技術(shù)，是當(dāng)前國際船舶學(xué)術(shù)界研究的前沿和熱點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)船型性能的研究中，充分發(fā)揮現(xiàn)代水動(dòng)力計(jì)算技術(shù)與CFD綜合技術(shù)，對(duì)計(jì)算機(jī)交互設(shè)計(jì)生成的各種型線方案進(jìn)行理論研究，采用基于勢(shì)流理論的Rankine源方法對(duì)船體周圍流場進(jìn)行計(jì)算分析。

CFD技術(shù)對(duì)于海船船型的研究已取得可喜成果，然而對(duì)于內(nèi)河雙尾如此復(fù)雜船型的研究還鮮為人知，流態(tài)的描述、船型的模擬等都有很大的難度。

3.3 阻力性能

從船型角度研究阻力主要考慮船型參數(shù)，根據(jù)化學(xué)品船的特點(diǎn)，考慮了浮心位置、首尾形狀、首尾半體排水體積分配等阻力影響因素。對(duì)尖首和水滴型對(duì)稱雙尾、尖首和不對(duì)稱雙尾、不同浮心位置的船型進(jìn)行了理論研究和模型試驗(yàn)，采用勢(shì)流理論和遺傳算法，對(duì)船舶興波問題進(jìn)行直接數(shù)值計(jì)算。以2 000t標(biāo)準(zhǔn)船型（浮心位置中前1%Lpp）為例，結(jié)果見圖2。

圖2 阻力曲線比較

結(jié)果表明，理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在航速20 km／h之內(nèi)是非常接近的，符合標(biāo)準(zhǔn)船型的要求，計(jì)算結(jié)果是可信的。

3.4 推進(jìn)性能

從推進(jìn)性能而言，雙尾船型主要是改善了船舶尾部伴流。為提高效率，從對(duì)稱雙尾又發(fā)展到不對(duì)稱預(yù)旋流雙尾。對(duì)與大方形系數(shù)的肥大型船舶相當(dāng)類似的長江標(biāo)準(zhǔn)船型來說，其效果如何，值得研究。

不對(duì)稱尾的設(shè)計(jì)目的，除使槳盤來流均勻，減少船尾振動(dòng)外，另一個(gè)方面就是獲得與螺旋槳旋向相反的有利預(yù)旋流。這里主要對(duì)槳盤處周向勢(shì)伴流進(jìn)行計(jì)算與分析。槳盤面處平均周向伴流為：

對(duì)設(shè)計(jì)的對(duì)稱雙尾線型尾部進(jìn)行形變分析，形變函數(shù)為w＝f（θ，z，x）。尾部經(jīng)形變函數(shù)變換后保持船舶排水體積不變。圖3為計(jì)算所得T-θ關(guān)系曲線圖。

圖3 關(guān)系曲線圖（左）和尾部周向流場分布（右）

從圖3可以看出，從勢(shì)伴流角度看，總體說來隨著傾斜角度的增加，預(yù)旋流更有利。

通過以上計(jì)算分析，由于受到諸多限制，對(duì)所計(jì)算的大方形系數(shù)肥大船型，采用不對(duì)稱雙尾線型能在一定程度利用其尾部周向預(yù)旋流，但想通過將雙尾線型設(shè)計(jì)成不對(duì)稱形式來達(dá)到較大幅度提高推進(jìn)性能還須進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)果分析

1）船舶付氏數(shù)Fn不超過0.2（2 000t船對(duì)應(yīng)實(shí)船航速不超過20km／h左右）時(shí)，船舶總阻力的數(shù)字預(yù)報(bào)值與試驗(yàn)預(yù)報(bào)值擬合的比較好。船體伴流場計(jì)算原理與方法的模型對(duì)于長江化學(xué)品船標(biāo)準(zhǔn)船型是成功的，計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)是吻合的，其結(jié)論是可信的。

2）不對(duì)稱尾與對(duì)稱尾在性能上基本相當(dāng)，不對(duì)稱尾在推進(jìn)效率上有所增加，其性能還須進(jìn)行深入系列研究。

3）船舶浮心位置在船中前后0.5 Lpp范圍內(nèi)，可兼顧阻力和推進(jìn)因子，具有較好的綜合性能。

經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化后得到的2 000t化學(xué)品船標(biāo)準(zhǔn)船型見圖4。

圖4 2 000t化學(xué)品標(biāo)準(zhǔn)船型總布置圖

5 結(jié)束語

由武漢理工大學(xué)交通學(xué)院和中國長江航運(yùn)總公司合作進(jìn)行的西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“川江及三峽庫區(qū)化學(xué)品船標(biāo)準(zhǔn)船型研究”已經(jīng)順利完成。近兩年來的使用效果表明，標(biāo)準(zhǔn)船型的推廣和使用對(duì)提高三峽船閘的通過能力、保障船舶航行安全、減少船舶污染、保護(hù)庫區(qū)環(huán)境和通航設(shè)施安全都起到了積極的推動(dòng)作用，其良好的經(jīng)濟(jì)性也受到船東的一致好評(píng)。

在項(xiàng)目研究的過程中，得到了許多兄弟單位和航運(yùn)公司的大力支持，在此一并表示感謝。同時(shí)希望項(xiàng)目的實(shí)施和研究成果的推廣對(duì)提高三峽工程建設(shè)綜合效益，促進(jìn)長江航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展有所裨益。

［1］董元?jiǎng)?川江及三峽庫區(qū)化學(xué)品船標(biāo)準(zhǔn)船型研究報(bào)告［R］.武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

［2］唐冠軍，趙洪祥.推進(jìn)長江干線船型標(biāo)準(zhǔn)化的策略［J］.綜合運(yùn)輸，2004（12）：36-39.