38 000 m3耙吸挖泥船線(xiàn)型設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

葉 昊 紀(jì) 凱

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

38 000 m3耙吸挖泥船線(xiàn)型設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

葉 昊 紀(jì) 凱

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

大型或超大型耙吸挖泥船采用優(yōu)選的雙尾鰭線(xiàn)型，同時(shí)與帶折角線(xiàn)的前體線(xiàn)型有機(jī)結(jié)合，可有效降低總阻力，提高推進(jìn)效率。文中結(jié)合38 000 m3耙吸挖泥船帶雙尾鰭的淺吃水肥大船型的船型特征，利用CFD分析技術(shù)對(duì)該船的艏艉線(xiàn)型進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，模型試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化線(xiàn)型船的航速超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

耙吸挖泥船；型線(xiàn)設(shè)計(jì)；雙尾鰭；CFD優(yōu)化

引 言

上世紀(jì)90年代初期，隨著船舶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和亞洲經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁復(fù)蘇，推動(dòng)了世界疏浚市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展。為順應(yīng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，超大型耙吸船（17 000 m3以上）的發(fā)展相當(dāng)迅猛。超大型耙吸挖泥船可顯著提高作業(yè)效率，并促使單方土成本下降，因此在大型疏浚和吹填工程中起到了主導(dǎo)作用。與此同時(shí)，淺吃水肥大型船的優(yōu)越性更加明顯。近幾年來(lái)，國(guó)外主要建造商所生產(chǎn)的大型耙吸船長(zhǎng)寬比都在5.0甚至4.5以下，船寬疏浚吃水比也多在3.0以上，方形系數(shù)逐漸提高，最大者可近0.90［1-2］。

在船舶主尺度重大變革的同時(shí)，船體線(xiàn)型以及相關(guān)的首尾形狀也伴隨發(fā)生明顯變化，超長(zhǎng)球艏及雙尾鰭的采用表現(xiàn)得尤為突出。線(xiàn)型設(shè)計(jì)是船舶設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，關(guān)系到船舶的快速性、適航性（尤其對(duì)淺水航道的適應(yīng)性）、穩(wěn)性、以及裝載能力等多項(xiàng)主要性能指標(biāo)［3］。本文將闡述針對(duì)38 000 m3耙吸挖泥船的基本設(shè)計(jì)進(jìn)行的船體線(xiàn)型設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究。

1 船舶主尺度

本船的設(shè)計(jì)艙容為38 000 m3，泥漿密度按1.6 t/m3考慮。我們?cè)诖伺撊莺洼d泥量的基礎(chǔ)上進(jìn)行主尺度選取，參考當(dāng)今世界上30 000 m3以上超大型耙吸挖泥船主尺度及船型參數(shù)，并通過(guò)對(duì)不同尺度方案（如長(zhǎng)、寬、方形系數(shù)和吃水等）的變化進(jìn)行綜合對(duì)比估算，最終確定主尺度如下：

總 長(zhǎng) ～198.00 m

垂線(xiàn)間長(zhǎng) 180.00 m

型 寬 40.00 m

型 深 18.50 m

平均型吃水（夏季載重線(xiàn)，國(guó)際干舷）12.00 m

平均型吃水（疏浚標(biāo)志、國(guó)際半干舷）14.00 m

方形系數(shù) ～0.89

艙 容 ～38 000 m3

服務(wù)航速 16.5 kn

2 船體線(xiàn)型設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 初步線(xiàn)型設(shè)計(jì)

本船線(xiàn)型設(shè)計(jì)和優(yōu)化的基本目標(biāo)是在給定的主尺度和主要船型參數(shù)的條件下，達(dá)到38 000 m3的泥艙艙容；吃水14 m、推進(jìn)功率為14 500 kW×2時(shí)，設(shè)計(jì)航速達(dá)16.5 kn；同時(shí)在吃水14 m、推進(jìn)功率8 200 kW×2、挖深40 m、雙耙作業(yè)時(shí)，對(duì)水航速達(dá)6.8 kn，即船對(duì)地航速約為2.8 kn，逆流流速為4 kn。在進(jìn)行初步線(xiàn)型設(shè)計(jì)時(shí)，除了常規(guī)的考慮因素外，結(jié)合本船特點(diǎn)還需注意以下幾個(gè)方面：

（1）泥艙的布置位置應(yīng)與線(xiàn)型相匹配，在主尺度的限制條件下選取合適的平行中體長(zhǎng)度，且平行中體的布置應(yīng)便于船首耙管吸口處滑軌的安放；

（2）根據(jù)耙吸挖泥船航行及作業(yè)特點(diǎn)，在滿(mǎn)足不同裝載狀態(tài)的浮態(tài)及穩(wěn)性前提下，本船線(xiàn)型要兼顧航行和作業(yè)狀態(tài)下的快速性；

（3）本船屬淺吃水肥大型船，線(xiàn)型設(shè)計(jì)需考慮該船型特點(diǎn)；

（4）本船屬尾機(jī)型船舶，故艉部雙尾鰭線(xiàn)型要確保各種機(jī)電設(shè)備的布置空間，同時(shí)還需給尾部導(dǎo)管槳布置留有足夠的空間。

本船線(xiàn)型的研究將從首部和尾部入手。本船方形系數(shù)較大，傅氏數(shù)約為0.2，興波阻力和粘壓阻力在總阻力中都占有一定的比重，故希望通過(guò)合理設(shè)計(jì)首部線(xiàn)型和尾部線(xiàn)型，減小首部興波阻力和尾部粘壓阻力。同時(shí)為了避免出現(xiàn)首傾，浮心位置的目標(biāo)值應(yīng)取在船舯偏前位置處，以滿(mǎn)足各種工況浮態(tài)的要求。

2.1.1 前體線(xiàn)型初步設(shè)計(jì)

耙吸挖泥船需要在淺水域航行和施工作業(yè)，因此淺吃水船型性征對(duì)疏浚性能的發(fā)揮具有重要影響。采用大球鼻艏可大大改善淺水阻力性能，同時(shí)有助于增加船首浮力，減少埋首現(xiàn)象的發(fā)生。隨著船型日益肥大，從船首段到平行舯體之間的線(xiàn)型變化較大，球鼻艏做得較長(zhǎng)且較大也有利于首部型線(xiàn)的平緩過(guò)渡?；谝陨显颍敬捎么笄虮囚?。

作為優(yōu)化船型的手段，CFD技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。我們運(yùn)用荷蘭MARIN水池開(kāi)發(fā)的基于勢(shì)流理論的RAPID軟件進(jìn)行船首部興波阻力的計(jì)算。球艏長(zhǎng)度的選取是影響首部興波的一個(gè)要素，在前期分析計(jì)算中，通過(guò)參考國(guó)外相近船型資料，并結(jié)合不同球艏長(zhǎng)度的CFD阻力計(jì)算對(duì)比可知，球艏長(zhǎng)度取8～10 m較為合適，同時(shí)還可將球艏略向上翹，以減小首部興波。

目前國(guó)外大型或超大型耙吸挖泥船前體線(xiàn)型的球艏處多帶有折角線(xiàn)。針對(duì)這一舉措給船體阻力可能帶來(lái)的影響，我們選擇3個(gè)不同的首部方案（M1、M2、M3）進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算分析。三者方形系數(shù)都保持在0.89左右，球艏長(zhǎng)取10 m，各首部方案縱剖線(xiàn)如下頁(yè)圖1。M1首部線(xiàn)型無(wú)折角線(xiàn)；M2首部主船體與球艏相接的折角線(xiàn)向平行中體過(guò)渡時(shí)向下凹，但下凹幅度較大；M3首部主船體與球艏相接的折角線(xiàn)下凹幅度較小。

下頁(yè)表1為經(jīng)RAPID軟件計(jì)算得出的三種首部線(xiàn)型挖泥吃水下興波阻力系數(shù)比較表。

圖1 三種首部線(xiàn)型方案

表1 不同首部方案的興波阻力系數(shù)比較

由表1可看出， M1和M2 的興波阻力分別是M3的148%和105%?？芍螋继帋д劢蔷€(xiàn)能有效減小船體興波阻力，同時(shí)為保證來(lái)流順暢，該折角線(xiàn)下凹幅度不宜過(guò)大。

2.1.2 尾部線(xiàn)型初步設(shè)計(jì)

本船屬于淺吃水肥大型船，對(duì)B/T較大的淺吃水船而言，若采用常規(guī)船型，由于尾部肥胖，去流段變短，會(huì)給船的阻力性能、推進(jìn)效率、振動(dòng)、操縱性等方面帶來(lái)不利影響，而采用雙尾鰭則是一條有效途徑。雙尾鰭船型可減小尾部粘壓阻力和興波阻力，同時(shí)較常規(guī)雙槳船有更高的伴流分?jǐn)?shù)及船身效率［4］。另外，針對(duì)耙吸挖泥船來(lái)講雙尾鰭線(xiàn)型還有一個(gè)突出的好處是有利于輪機(jī)設(shè)備的向后推移，節(jié)省的空間可用于泥艙長(zhǎng)度的增加，使泥艙裝載能力得到有效提高，并因?yàn)閺澗氐南鄳?yīng)減小而節(jié)省鋼材重量［5］。

張大有、宋家瑾等人［4，6］對(duì)雙尾鰭線(xiàn)型的基本特征作了一些描述，對(duì)于大方形系數(shù)的雙尾鰭船型，在線(xiàn)型設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)加大兩鰭彼此內(nèi)表面間距，且使其外傾，角度可控制在14°～ 17°之間，這樣可盡量避免兩鰭間的內(nèi)隧道因存在壓力差而出現(xiàn)的橫向流甚至倒流。同時(shí)，為防止兩鰭中間隧道壓力梯度的突然變化，中縱剖線(xiàn)形狀應(yīng)盡量平緩，兩鰭間中縱剖線(xiàn)的去流角一般可控制在15°左右。

尾軸間距也是影響船體阻力性能的一大要素，孟憲欽、李世謨等人［7-8］都對(duì)雙尾鰭船型的尾軸間距對(duì)阻力性能產(chǎn)生的影響作了試驗(yàn)研究，對(duì)某一船型來(lái)講，尾軸間距與船寬比存在最佳值，但這一最佳值視船型不同而不同。根據(jù)以往的實(shí)船經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于耙吸挖泥船來(lái)說(shuō)尾軸間距與船寬比控制在0.40～0.45之間較為合適。同時(shí)，尾軸間距的選取還要考慮機(jī)艙的布置，由于本船機(jī)艙中部還設(shè)有泥泵艙，尾軸間距與船寬比若取0.40～0.45之間，對(duì)泥泵艙布置不利，經(jīng)權(quán)衡后我們將這一比值定為0.5。

基于以上對(duì)雙尾鰭線(xiàn)型特征的描述，并結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，我們建立了一個(gè)初步的雙尾鰭線(xiàn)型，同時(shí)艏部采用M3方案，形成初步線(xiàn)型，其船體模型如圖2所示，該線(xiàn)型在挖泥吃水14 m處方形系數(shù)為0.894 8。對(duì)初始線(xiàn)型進(jìn)行的船模結(jié)果顯示：該挖泥船在雙槳收到功率為29 000 kW時(shí)，吃水為14 m時(shí)的航速為15.97 kn，小于之前預(yù)設(shè)的16.5 kn的目標(biāo)值，因此需要對(duì)此線(xiàn)型作進(jìn)一步優(yōu)化。

圖2 初步線(xiàn)型船體模型

2.2 線(xiàn)型優(yōu)化

初始線(xiàn)型方型系數(shù)大于最初設(shè)定的方形系數(shù)0.89，同時(shí)雙尾鰭線(xiàn)型設(shè)計(jì)還不是很合理，且尾鰭較肥大，尾部流場(chǎng)的順暢度不夠好，故還有一定的優(yōu)化空間。為此，我們將方形系數(shù)降低至0.89左右，抬高球艏以改善肩波，優(yōu)化雙尾鰭形狀，削瘦尾鰭，同時(shí)將尾鰭設(shè)計(jì)成沿鰭軸內(nèi)側(cè)薄于外側(cè)的非對(duì)稱(chēng)形狀，以減小水流分離和縱向渦；在滿(mǎn)足機(jī)艙布置的情況下進(jìn)一步減小中縱剖線(xiàn)的去流角，使得尾部的去流段更為平緩。初步線(xiàn)形和優(yōu)化線(xiàn)型對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 初步線(xiàn)型和優(yōu)化線(xiàn)型（紅色）首尾對(duì)比

另外，由于本船在呆木內(nèi)加裝了尾側(cè)推，故呆木體積較大，在初步線(xiàn)型中呆木尾端采用了較大半徑的圓弧過(guò)渡，這樣易導(dǎo)致尾部水流分離，引起粘壓阻力的增加，因此我們將呆木尾段改成了橢圓弧過(guò)渡（見(jiàn)圖4），使得尾部去流段較為緩和。

圖4 初步線(xiàn)型和優(yōu)化線(xiàn)型呆木型式對(duì)比

我們運(yùn)用CFD軟件FLUENT，對(duì)初步線(xiàn)型和二次優(yōu)化線(xiàn)型進(jìn)行了裸船阻力、伴流對(duì)比計(jì)算分析。表2為計(jì)算所得阻力結(jié)果，其中Rp為壓阻力，Rf為摩擦阻力，Rt為總阻力，Cp、Cf和Ct為相對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)，S為濕表面積。由該表可知，二次優(yōu)化線(xiàn)型相對(duì)初步線(xiàn)型裸船體總阻力系數(shù)有一定減少。

表2 裸船體阻力計(jì)算結(jié)果

對(duì)比初步和優(yōu)化線(xiàn)型方案的波型沿船長(zhǎng)方向縱切面（圖5）可以看出，和初步線(xiàn)型相比，優(yōu)化線(xiàn)型的首波峰值略有降低，且首部第一個(gè)波谷寬度明顯變小。

圖5 初步和優(yōu)化線(xiàn)型波型沿船長(zhǎng)方向縱切面

對(duì)比兩個(gè)方案的尾部壓力分布圖（圖6）可知，在初步線(xiàn)型方案尾部的船底抬升處有明顯的低壓區(qū)，而優(yōu)化線(xiàn)型方案在這一區(qū)域的壓力分布得到了明顯改善。

圖6 初步和優(yōu)化線(xiàn)型尾部壓力分布圖

圖7為裸船體左槳槳盤(pán)面伴流等值線(xiàn)對(duì)比圖，可看出優(yōu)化線(xiàn)型方案的槳盤(pán)面伴流等值線(xiàn)圖中的伴流峰值相對(duì)于原型方案略有減小，伴流區(qū)域分布也更為均勻。

圖7 初步和優(yōu)化線(xiàn)型尾部伴流等值線(xiàn)圖

針對(duì)優(yōu)化線(xiàn)型方案做的模型試驗(yàn)表明：當(dāng)雙槳收到功率為14 500×2 kW，挖泥吃水14 m狀態(tài)時(shí)，航速達(dá)到了16.79 kn，高于初步線(xiàn)型方案15.97 kn的航速，并超過(guò)VS=16.5 kn的設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖8為挖泥吃水狀態(tài)初步線(xiàn)型和優(yōu)化線(xiàn)型收到功率曲線(xiàn)的比較，在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)航速點(diǎn)16.5 kn上，優(yōu)化線(xiàn)型的槳收到功率相對(duì)低10.2%。由此可知，通過(guò)合理優(yōu)化雙尾鰭線(xiàn)型及呆木型式，本船的阻力性能得到顯著提高，并且由于尾部伴流的改善，提高了本船的推進(jìn)效率。

圖8 挖泥吃水狀態(tài)初步線(xiàn)型和優(yōu)化線(xiàn)型收到功率比較

圖9為在平均吃水14 m、推進(jìn)功率8 200 kW×2時(shí)，初步線(xiàn)型和優(yōu)化線(xiàn)型的拖力預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比。可見(jiàn)，優(yōu)化線(xiàn)型的預(yù)報(bào)拖力也得到顯著提升。若每個(gè)耙頭阻力取500 kN，可有效滿(mǎn)足挖深40 m、雙耙作業(yè)時(shí)對(duì)水航速約6.8 kn（即船對(duì)地航速約為2.8 kn，逆流流速為4 kn）的作業(yè)航速要求。

圖9 初步線(xiàn)型和優(yōu)化線(xiàn)型拖力預(yù)報(bào)結(jié)果比較

3 結(jié) 論

大型或超大型耙吸挖泥船采用優(yōu)選的雙尾鰭線(xiàn)型，同時(shí)與帶折角線(xiàn)的前體線(xiàn)型有機(jī)結(jié)合，可有效降低總阻力，提高推進(jìn)效率。本文通過(guò)運(yùn)用CFD技術(shù)，針對(duì)首尾線(xiàn)型方案進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算和對(duì)比分析，最終得出優(yōu)化線(xiàn)型，試驗(yàn)結(jié)果證明其能有效滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，與CFD方法優(yōu)化的目標(biāo)一致，這也驗(yàn)證了基于CFD 技術(shù)的線(xiàn)型優(yōu)化方法在大型耙吸挖泥船的實(shí)船設(shè)計(jì)中具有可行性。

［1］ 劉厚恕.國(guó)外挖泥船發(fā)展新態(tài)勢(shì)［J］.船舶，2009（6）：1-7.

［2］ 劉厚恕，郭德威.建造中的亞洲巨無(wú)霸——馬來(lái)西亞34 000 m3耙吸挖泥船［J］. 船舶，2011（4）：6-9.

［3］ 劉厚恕.耙吸挖泥船在我國(guó)的發(fā)展及大型化展望［J］. 上海造船，2003（1）：45-49.

［4］ 張大有，朱濤，李紹波.雙尾鰭船型研究與發(fā)展分析［J］. 船舶工程，2006（6）：58-62.

［5］ JAGER A DE. A success story originating from ship research［J］. Ports and Dredging，2006（E165）：4-9.

［6］ 宋家瑾.淺吃水肥大型雙尾鰭船流態(tài)試驗(yàn)研究［C］.中國(guó)造船論文集，1985.

［7］ 孟憲欽.淺吃水肥大船線(xiàn)型試驗(yàn)研究［C］. 中國(guó)造船論文集，1985.

［8］ 李世謨.雙尾節(jié)能船型［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），1986（3）：1-6.

Lines design and optimization of 38 000 m3trailing suction hopper dredger

YE Hao JI Kai
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Large and ultra large trailing suction hopper dredgers adopt optimized the twin-skeg form, which can reduce the overall resistance and improve the propulsion efficiency by combining with knuckle line forebody. According to the shallow draft full ship characteristics of a 38 000 m3trailing suction hopper dredger with twinskeg form, bow and stern lines are designed and optimized by the CFD analysis technology. The test results show that the speed with optimized lines exceeds the speci fi ed target speed and meet the design requirements.

trailing suction hopper dredger; lines design; twin-skeg; CFD optimization

U661.3

A

1001-9855（2014）03-0014-06

2013-12-09 ；

2013-12-24

葉 昊（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：工程船舶總體設(shè)計(jì)。

紀(jì) 凱（1975-），女，碩士，研究員，研究方向：工程船舶總體設(shè)計(jì)。