一種無壓載水船型設(shè)計新思路

白 軍，王鵬暉，洪碧光

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

一種無壓載水船型設(shè)計新思路

白 軍，王鵬暉，洪碧光

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

為解決壓載水帶來的海洋污染問題，學(xué)術(shù)界引入了無壓載水船的新理念。首先，對當(dāng)前國內(nèi)外無壓載水船型設(shè)計與開發(fā)的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，并對其優(yōu)缺點進(jìn)行分析。然后，針對美國貫通流系統(tǒng)和日本V型船兩大設(shè)計理念進(jìn)行技術(shù)整合，提出了一種無壓載水船設(shè)計的新思路，并對無壓載水新船型的船型參數(shù)和水動力相關(guān)計算結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)。結(jié)果表明，新船型的設(shè)計，對無壓載水船未來的研究之路具有一定的實際意義與參考價值。

無壓載水船；研究進(jìn)展；貫通流系統(tǒng)；V型船

0 引 言

為了有效控制船舶壓載水污染所帶來的危害，國際海事組織（IMO）于2004年通過了《國際船舶壓載水和沉積物控制和管理公約》[1]。同時，隨著芬蘭于2016年9月8日，向IMO遞交了“公約”加入文書，壓載水“公約”則正式達(dá)到了生效條件?！肮s”將于2017年9月8日正式生效。在此大背景下，無壓載水船的設(shè)計在業(yè)界也將被激發(fā)出一股新的研究熱潮。當(dāng)前，國外主流的無壓載水船構(gòu)想有3種：美國的貫通流系統(tǒng)[2]、荷蘭的單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計[3]以及日本的V型船身設(shè)計[4-5]，然而，國內(nèi)只有少數(shù)研究院、大學(xué)院校對單一結(jié)構(gòu)船體和V型船體的設(shè)計有一定的研究，尚無成熟理論被提出。本文提出的無壓載水船設(shè)計新思路，是經(jīng)過整合貫通流及V型船體兩大系統(tǒng)，推出的一款更優(yōu)化、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的無壓載水新船型。

1 無壓載水船研究進(jìn)展

1.1 國外研究進(jìn)展

1.1.1 美國貫通流系統(tǒng)

貫通流系統(tǒng)[2]（Though Flow System Hull），如圖1所示，科研人員對其進(jìn)行水池試驗，結(jié)果表明，在保證無壓載水的前提下，該船型不僅能保持良好的穩(wěn)性，而且船底裝有2條大型管道中海水自前而后流動產(chǎn)生的水流，對螺旋槳水動力性能也起到了一定的優(yōu)化作用，既提高了航速又實現(xiàn)了節(jié)能減排。試驗數(shù)據(jù)表明，貫通流理念下的無壓載水船舶最多可以節(jié)省母船型7.3%的動力。

然而，該設(shè)計理念的缺陷包括了以下幾點：

1）船體內(nèi)部貫通的管路需要超高強度，同時大型化船舶則需要更大尺寸的管路，對船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)與設(shè)備的布局會產(chǎn)生很大程度影響。

2） 船舶處于不同的裝載情況時，需要對自身的壓載量進(jìn)行調(diào)整。貫通流系統(tǒng)的設(shè)計無法實現(xiàn)船舶對不同裝載情況下所需不同壓載量的定量化與壓載量切換。

3）在空載狀態(tài)下，貫通流系統(tǒng)中管路可以實現(xiàn)全流通。然而，滿載狀態(tài)下，針對管路中流通海水的排空也是一個遺留問題所在。

1.1.2 荷蘭單一結(jié)構(gòu)船身

單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計[3]（Monomaran Hull），如圖2所示，該設(shè)計理念下的船舶已經(jīng)在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)建造成功，其載重量為4 000 t，船速為14 kn，無壓載水艙。從試航結(jié)果來看，基本上滿足了無壓載水船的標(biāo)準(zhǔn)。然而，其缺點是與傳統(tǒng)船型相比，船體濕水面積有大幅度地擴(kuò)大，船舷高度有所增加，最終導(dǎo)致船舶航行阻力也會有所增加，很難應(yīng)用于大型化的船舶。

1.1.3 日本V型船身

V型船身設(shè)計[4-5]（V-Shaped Hull），如圖3所示，通過計算機模擬實驗數(shù)據(jù)表明，“馬六甲型”無壓載水船可減少其母船型25%的阻力，“最佳型”無壓載水油輪可減少其母船型33%的阻力，實現(xiàn)了對航行過程中所需燃料量明顯的節(jié)約。

不過，V型船設(shè)計的缺點表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）由于V型無壓載水船對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，需選用超強度鋼材，因此，相對于傳統(tǒng)VLCC來說，無壓載水油輪的單船造價要高出其650萬美元左右。

2）V型船身的設(shè)計，對于偏大型化船舶來說，需要更大尺度的V型船體，這樣，船舶對航行水域水深也提出了更高的要求，適應(yīng)于同噸位普通船型?？俊⒑叫械臏\水港口、航道、運河（例如巴拿馬運河、蘇伊士運河等），可能無法讓V型船身的大型化船舶去靠泊與航行。

3）航行在水深相對較淺水域的船舶都會存在一定的縱傾值與下沉量，對于型深極高的V型船體來說，本就存在較大的吃水深度，再加上其自身特點，會帶來比普通船型更明顯的縱傾與下沉現(xiàn)象，增加船舶擱淺風(fēng)險。

4）V型船設(shè)計在惡劣的風(fēng)浪情況下，穩(wěn)定性達(dá)不到要求，船舶的機動性能也受到了很大程度的制約。因此，船體內(nèi)部還是配置有備用壓載水艙以應(yīng)對突發(fā)情況。那么，從嚴(yán)格意義上講，其只能被界定為超低壓載水船型，還是無法杜絕壓載水污染的產(chǎn)生。

5）與傳統(tǒng)船型比較，V型船體的設(shè)計，讓船舶在滿載狀態(tài)下，推進(jìn)效率有所惡化；此外，由于過大的船底傾斜度，給船舶的建造也會增加不少難度。

1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

1.2.1 結(jié)合單一結(jié)構(gòu)船身理念的設(shè)計

2012年，徐峰等[3]選用了華東船舶設(shè)計院自主研發(fā)的35 000DWT級散貨船作為母型船，將雙尾鰭船型與單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計理念進(jìn)行結(jié)合，對靈便型無壓載水艙散貨船進(jìn)行開發(fā)。研究結(jié)果表明，新船型在空載狀態(tài)下的吃水和滿載狀態(tài)下的載貨量，以及船舶穩(wěn)性和耐波性，與母船型基本持平。但是，在惡劣海浪情況下，還需要加載一定量壓載水以保證船舶安全，難以實現(xiàn)完全無壓載水化。

2013年，汪敏等[6]繼續(xù)選用靈便型散貨船作為研究對象，結(jié)合單一結(jié)構(gòu)船身設(shè)計理念，對其進(jìn)行無壓載水船型開發(fā)。同時，在徐峰研究成果的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了進(jìn)一步的型線優(yōu)化，并選用商業(yè)軟件Fluent對粘性流場中航行的無壓載水船型進(jìn)行數(shù)值模擬。最終，計算結(jié)果表明，新船型不僅有效地降低了對螺旋槳直徑的需求，而且又減少了空載狀態(tài)下船舶排水體積，使得船舶阻力性能得到了優(yōu)化。但是，自船中之后雙尾鰭的設(shè)計導(dǎo)致貨艙體積有了一定幅度的減少，載貨量也會有所降低。

1.2.2 結(jié)合V型船身設(shè)計理念的設(shè)計

2010年，韋俊凱等[7]選用現(xiàn)有的V型無壓載水船作為母船型，對其型線繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，同時，采用“加大船寬，增大型深”的方法，增加船底傾斜度。最終，提出了基于母型船橫剖面面積曲線基本不變的V型無壓載水船型線設(shè)計的變換方法，既滿足了船舶排水量保持不變的要求，又實現(xiàn)了新母船型間浮性基本不變的效果。但是，在其余船型參數(shù)（如方形系數(shù)、船寬吃水比等）發(fā)生明顯變化的前提下，船舶穩(wěn)性、快速性等操縱性相關(guān)的水動力特性還并沒有進(jìn)行地有效的研究，設(shè)計方案的可行性還有待于進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

2013年，陸嶼[8]選用59 000DWG的油輪作為母船型，在其主尺度（船長、船寬等）保持不變的前提下，進(jìn)行了NOBS型線設(shè)計[9]，設(shè)計出無壓載水油輪，并且針對新船型提出了總布置設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，使得新船型在各種典型工況下的浮態(tài)、穩(wěn)性都足以滿足相關(guān)的規(guī)范要求，新船型的船體重量較母船型也有所降低，可減少船舶的建造成本。反觀船舶阻力，則較母船型存在大幅度的增加，增加比例大約為28.7%。

2014年，王琳[10]在V型船身設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，基于Freeship軟件對無壓載水船進(jìn)行了型線設(shè)計，并采用SESAM軟件對新船型的浮態(tài)、穩(wěn)性和耐波性等方面進(jìn)行了計算。結(jié)果表明，新船型在保證與母船型橫剖面面積不變的前提下，上述各方面的性能較母船型都有所優(yōu)化。不過，新船型由于船寬的增大，導(dǎo)致空船質(zhì)量比母船型有了不少的提高，建造成本會有所增加。另外，針對新船型快速性、結(jié)構(gòu)強度以及操縱性等幾大關(guān)鍵方面的研究，還屬于空白階段。

2 無壓載水船舶設(shè)計新思路

本設(shè)計思路集合了貫通流系統(tǒng)與V型船設(shè)計兩大理念的優(yōu)點，并且在兩大設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一定程度的改造[11-12]。

2.1 V型船體部分

本文選用巴拿馬型散貨船[13]作為母船型，針對船體部分進(jìn)行改造，其主要內(nèi)容包括以下幾方面：

1）V型船體的改造，將船體設(shè)計為“上U，下V”型，如圖4所示。該船型的設(shè)計，不僅用以增加了船體上部的飽滿度，又可降低對船體下部瘦削度的要求。

2）船首至船尾21個站位的肋板，如圖5所示，從中可以直觀地看出，船體的設(shè)計偏于V型化，但是并不需要達(dá)到V型船身設(shè)計理念中的大尺度。

2.2 貫通管路部分

針對管路部分進(jìn)行改造，其主要內(nèi)容包括以下幾方面：

1）將上部2條縱向管路設(shè)計為微弧形，底部縱向管路和3條橫向管路設(shè)計為直線形，同時，所有管路均處于壓載水線以下的位置，見圖6。

2）縱向管路的前、后管口處安裝有傳感器控制閥門，用以控制海水流進(jìn)、流出；橫向管路與底部縱向管路之間的連接部位裝有壓力傳感器，用以實現(xiàn)船舶壓載量的定量化，見圖7。

3）縱向管路均設(shè)有內(nèi)、外雙層管壁，既加強管路強度，又讓管路處于可收縮狀態(tài)，來調(diào)整管路內(nèi)海水的流通量，以實現(xiàn)不同裝載狀態(tài)間壓載量的切換。針對于管路的收縮，采用內(nèi)、外管壁間的空氣填充壓縮技術(shù)來實現(xiàn)內(nèi)管徑的切換，見圖8。

4）縱向管路均分為前后兩大部分，用以實現(xiàn)對船舶浮態(tài)的調(diào)整。對于橫傾狀態(tài)的調(diào)整，通過控制左右2條縱向管路進(jìn)行不同程度的開放，實現(xiàn)2條管路間海水流通量差即可。對于縱傾狀態(tài)的調(diào)整，通過控制縱向管路前后兩部分不同程度的開放，讓前后部分出現(xiàn)不同海水流通量，實現(xiàn)管路進(jìn)、出口處的壓力差即可。

3 計算結(jié)果及分析

在母船船型參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)經(jīng)驗公式，對新船型參數(shù)進(jìn)行了計算。同時，采用CFD方法[14]，基于Fluent軟件，對新母船型進(jìn)行了粘性流場中的數(shù)值模擬，得出新船型的阻力及浮態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，并且對航行于特殊水域（岸壁效應(yīng)）下，新船型操縱性相關(guān)的水動力特性進(jìn)行了分析。

3.1 船型參數(shù)

1）主尺度

新船型主尺度（船長、船寬、型深、吃水等）較母船型都有所增大；由于V型船體部分，所需鋼板厚度的增加以及內(nèi)部貫通管路的設(shè)計，導(dǎo)致空船載重量也有所增加，但是，船舶載貨量保持不變，上述各參數(shù)值也完全符合相關(guān)規(guī)范要求。同時，利用尺度比參數(shù)[15]對主尺度進(jìn)行量化，結(jié)果表明，新船型的結(jié)構(gòu)強度與母船型也保持基本一致。

2）船型系數(shù)

由于船體“上U、下V”型的設(shè)計，導(dǎo)致新船型的方形系數(shù)、菱形系數(shù)、橫剖面系數(shù)等較母船型都有所降低[11]，但是水線面系數(shù)有所提高。

3）穩(wěn)性參數(shù)

新船型的浮心垂坐標(biāo)、橫穩(wěn)心半徑、初穩(wěn)性高度、重心垂坐標(biāo)較母船型都有所提高，橫搖周期較母船型則有所降低。但是，各項穩(wěn)性數(shù)據(jù)也依舊滿足相關(guān)的規(guī)范要求[16]。

表 1 新母船主尺度參數(shù)Tab. 1 The main parameter of mother and new ship

表 2 新母船穩(wěn)性參數(shù)Tab. 2 The stability parameter of mother and new ship

3.2 浮態(tài)及阻力數(shù)據(jù)

1）浮態(tài)數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)值模擬的計算結(jié)果表明[12]，新船型的初始浮態(tài)屬于尾傾，然而母船型的初始浮態(tài)屬于首傾，這表明，新船型的初始浮態(tài)優(yōu)于母船型。同時，新船型縱向管路前部收縮，可增加船舶尾傾；后部收縮可增加船舶首傾，也實現(xiàn)了對船舶浮態(tài)調(diào)整的有效性。

2）阻力數(shù)據(jù)

新船型總阻力較母船型有所降低，在不同航速下，降低的平均比例占母船總阻力值的6.58%。該結(jié)果也表明，新船型的快速性較母船型也有所優(yōu)化。

3.3 岸壁效應(yīng)分析

1）橫向力數(shù)據(jù)

由于管路的分流效果，使得新船型船體周圍流場的速度、壓力分布較母船型都有所降低。在不同岸壁距離下，新船型所受橫向力較母船型降低的平均比例可達(dá)30.39%。

2）轉(zhuǎn)首力矩數(shù)據(jù)

不同岸壁距離下，新船型船體轉(zhuǎn)首力矩較母船型降低的平均比例為35.20%。這充分表明，新船型在岸壁效應(yīng)下的“安全距離”，會明顯地小于母船型。

表 3 不同岸壁距離下新母船型船體轉(zhuǎn)首力矩比較（Fr=0.074）Tab. 3 Comparing of the yaw moment in different distance to bank(Fr=0.074)

4 結(jié) 語

通過本文設(shè)計無壓載水新船型的計算結(jié)果中，可以看出，新船型與母船型的船型參數(shù)保持基本一致[11]，并沒有明顯變化，滿足相關(guān)實踐的要求。同時，新船型快速性、浮性以及受限水域中的操縱性較母船型也都得到了一定的優(yōu)化[12]。這表明，本設(shè)計新思路還是具有一定的實際意義與參考價值的。

然而，從國內(nèi)外無壓載水船型的研究進(jìn)展中，可以看出，目前無壓載水船型的設(shè)計與開發(fā)，僅有國外三大設(shè)計理念存在，國內(nèi)研究工作者的研發(fā)工作只是基于國外三大理念進(jìn)行的。同時，國內(nèi)外針對無壓載水船型的研發(fā)，也都只處于剛起步階段，各種設(shè)計思路依舊存在自身的缺陷與不足，待優(yōu)化的工作仍有很多?？傮w而言，作為一個新的研究方向，無壓載水船型，從開發(fā)到應(yīng)用還是需要很長的一段路要走，船界也應(yīng)該在無壓載水船型的研究方面加大投入力度，提高無壓載水船型的適航性、安全性與經(jīng)濟(jì)性，使這項研究逐步地走向應(yīng)用。

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[ 2 ]趙橋生, 張錚錚. 無壓載水艙船舶的研究進(jìn)展[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009, 31(07): 17–19.ZHAO Qiao-sheng, ZHANG Zheng-zheng. A comment on ballast_free ship[J]. Ship Science and Technology, 2009,31(07): 17–19.

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A new ballast-free ship design scheme

BAI Jun, WANG Peng-hui, HONG Bi-guang
(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

To solve pollution problem of ballast water, academia introduced the ballast-free ship theory. Firstly, gathers the latest research process of ballast water treatment systems at home and abroad, and analyzes their advantage and disadvantage. Then, fuses international advanced ballast-free ideas -American Though Flow System and Japanese V-Shape Hull,presents a new ship design scheme and its ship form parameters and hydrodynamic relevant computing results. The results showed that new ship design scheme can provide a reference for the future ballast-free ship study.

ballast-free ship type；research process；though flow system；V-shape Hull

U662.2

A

1672 – 7649(2017)09 – 0064 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.013

2016 – 11 – 15；

2016 – 12 – 16

大連海事大學(xué)重點科研資助項目(3132016360)

白軍(1982 – )，男，碩士，講師/大副，主要從事船舶操縱控制研究。