16 000 m3 LNG船快速性优化及试验

(1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452；2.上海船舶研究设计院，上海 201203)

全球LNG市场需求旺盛，新型LNG船舶的设计及相关的研究工作备受关注[1-5]。本公司为推进长江LNG水上业务发展，开展了16 000 m3LNG船的研究，为了获得较优的阻力性能，应用CFD和CAD软件对16 000 m3LNG船进行优化，并通过实船的快速性试验加以验证和修正。

1 船型特征

本船的B/T为4，属于浅吃水船，采用双桨。艏艉形状见图1。

图1 艏艉形状

常规型双桨船，在桨盘处的伴流分数较低，船身效率及推进效率亦低，且附体阻力也较大，本船将船尾改为类似于2个单桨船尾的双尾鳍形状。双艉鳍船型通过将宽度吃水比较大的船舶艉部设计成2个艉部片体，使去流段水流分成两侧水流和船底纵流3个区域，从而使艉部水流畅通，减少水流分离，降低船舶的形状阻力[6]。试验表明，双桨推进采用双尾鳍线型对降低阻力和提高推进效率是非常有利的，与相应的单桨船相比可以降低10%～20%的主机功率。双尾鳍型与常规型双桨船相比，在阻力和推进方面均有一定的特点。从阻力方面看，双尾船型的单个尾体宽度为整个船宽的40%～60%，因而相当于增大了长宽比，特别是后体变得瘦削，有利于降低粘压阻力。从推进方面看，改用双尾后螺旋桨的直径可以增大，敞水效率将有所提高，并且双尾船型的片尾，其内侧是受限流场，外侧是无限流场，两侧不对称，通常产生一外旋流场，可获得较高的推进效率。此外，常规型双桨船通常有对阻力不利的附体，如轴支架、轴包壳等，附体阻力可达总阻力的10%以上。本船采用双尾船型，省去附体，从而可减免附体阻力，充分利用伴流，得到较为显著的节能效果。主要参数见表1。

表1 主要参数

2 性能优化方法

为最大限度地提高目标船的快速性能、降低其能耗水平，方法运用CAD软件FRIENDSHIP-Framework结合CFD软件Shipflow的方法，以初步线型为基础，应用FRIENDSHIP-Framework中的Lackenby方法改变船体横剖面面积曲线的形状，从而变换得到不同的线型，由此进行水动力性能的优化计算。船体周围流场示意于图2。

图2 船体周围流场示意

由图2可见，Shipflow方法是将计算流场分为3个区域，近似模拟流体运动，具体划分如下。

1)势流区。基于Dawson理论中二阶面元法进行势流计算，并采用迭代技术满足该流场自由液面的边界条件。Dawson计算方法是线性化理论基础，Shipflow采用的势流方法在运用Dawson理论求得线性解后并没有终止计算，随后不断地迭代重复上述过程，直到计算收敛，最终求得完全非线性解。

2)薄边界层区。运用边界层理论模拟船体中前部的边界层，方法理论为积分法，建立动量微分方程沿流场边界层厚度积分，势流压力的分布是计算的输入，计算路径可以从驻点开始，也可从给定站开始，求解湍流方程，对船体边界层开展计算，能够获得船体中前部2/3船体上的摩擦阻力。

3)湍流区域。运用雷诺平均的N-S方程在该区域建立求解方程。对于不可压缩流体，其RANS如下：

(1)

采用有限差分法作为该区域求解的数值方法，应用SIMPLE算法耦合压力和速度，采用壁面函数以及k-ε两方程的湍流模式。其中，上述势流与边界层计算结果作为RANS方程求解的边界条件。

3 线型优化结果

本船设计航速15 kn时Fr=0.208 7，为中高速。兴波阻力在型线优化中比较重要，通过对设计船型的优化，在设计航速下以兴波阻力最小为优化目标，排水量作为约束函数。变化参数改变型线，尤其是球鼻首和双尾鳍，利用上述软件进行全局搜索兴波阻力极值。最终，通过波高、波形、压力分布，兴波阻力系数计算值等方面的比较，从大量计算方案中选取最优结果，使优化后的线型具有更好的阻力性能和推进性能，优化前后的横剖面面积曲线见图3，优化前后的纵剖面波高见图4～6，型线优化前后的表面压力分布见图7。

图3 优化前后横剖面面积对比

图4 优化前后纵剖面波高对比(沿船侧)

图5 优化前后纵剖面波高对比(y/Lpp=1.5)

图6 优化前后纵剖面波高对比(y/Lpp=2)

图7 优化型线与初始型线的表面压力分布

由图4～7可知，优化后的线型无论在波形上还是表面压力分布的均匀上都有了显著的改善，数值计算结果也充分显证了这一点，见表2。CW和CWTWC为两种不同方法计算出的兴波阻力系数值，CW来自船体表面的压力积分，CWTWC由尾后截面积分计算得到。

表2 兴波阻力系数值优化前后对比

综上，通过线型的优化有效降低了本船的阻力，提高了快速性。

4 试验分析方法

为了验证流体模拟的计算效果，采用船模试验验证其阻力与推进性能。

4.1 相似理论

船模阻力试验保持模型和实船的傅汝德数Fr相等，敞水试验保持进速系数J相等。快速性试验既有裸船又有螺旋桨，故须满足Fr数和J相等。推导中部分符号定义如下。

L为船长，D为桨径，V为船速，VA为进速，n为螺旋桨转速，λ为缩尺比，ρ为流体密度，ω为伴流分数，t为推力减额分数，下标m表示船模，下标s表示实船。

由Fr相等得：

(2)

由J相等得：

(3)

假定伴流无尺度作用，ωs=ωm，可得：

(4)

(2)和(4)两式是船模快速性试验应满足的相似条件。

快速性试验中模型和实船的各种力之间基本上是λ3的关系，用Rt表示裸船体的总阻力，则实船总阻力可表示为

(5)

当船模以速度Vm航行时，预先对船模加一个强制拖拽力FD，即摩擦阻力修正值[7]，此强制力用于克服船模总阻力中大小为FD的部分，则螺旋桨发出的推力Tm仅需克服船模总阻力中剩下的部分(Rtm-FD)。如此处理后，船模快速性试验系统中各种力都存在λ3的关系。

4.2 实船推进性能

采用三因次法[8]得到实船总阻力系数Cts。经过摩擦阻力修正，根据等推力法，得到船模的相关效率和系数。最后经过实桨敞水修正，得到实船推进效率为

(6)

式中：ηR为相对旋转效率；ηH为船身效率。

实桨转速为

(7)

实船的有效马力为

(8)

实桨收到马力为

(9)

上述计算结果需要采用功率因子Cp及转速因子Cn进行修正，其数值由各水池根据自己积累的统计经验资料决定。因此，修正后的实船试航性能预估如下。

转速为

Nt=CnNs

(10)

收到马力为

PDt=CpPDs

(11)

根据以上计算结果，即可绘制实船性能预报曲线，从而可知设计的船机桨是否匹配，航速能否满足船东的要求。

5 试验简介

5.1 快速性试验简述

船模快速性试验，一般是在阻力试验和敞水试验之后进行的，为满足船模和实船边界层中流动状态相似的要求，在船模的19号站以及球鼻艏中部装有2根直径为1 mm激流丝。试验中，螺旋桨模型的转速nm、推力Tm、转矩Qm由动力仪测得，强制力z由阻力仪测得。船模速度即为拖车的前进速度，船模在速度Vm时阻力Rm已由阻力试验求得。试验为强制自航法，即船模在螺旋桨推力T和强制力z共同作用下进行的快速性试验。阻力仪能够自动调节强制力z，船模的前进速度和拖车速度Vm保持相等。本试验共拖航了8个船速，对某一船模速度Vm，需要外加5个强制力，即z1、z2、z3、z4、z5。对于不同的强制力，为维持船模速度Vm而要求螺旋桨模型发出的推力Tm，转速nm及转矩Qm是不同的。因此对于一个速度需要试5次，且尽可能保持同一速度Vm。测量记录数据由Vm、z、Tm、Qm及nm共5项，据此得到船模快速性试验结果见图8。根据公式(1)及缩尺比可得到对应航速Vm下的强制力FD值，由FD与对应航速Vm的交点即可得到船模在航速Vm时螺旋桨转速nm、推力Tm和转矩Qm。根据试验结果分析推进效率的各种成分。

5.2 试验结果

本次试验考量的是船舶设计吃水时的性能，船模缩尺比λ=24.093 1，螺距比、盘面比也比较接近，船模及桨模都足够大，确保能获得比较精确的试验结果，船体阻力见表4，有效功率见图9。船体推进效率见表5，实船性能预报见图10。

图8 船模快速性试验结果

表4 试验所得船体阻力

图9 有效功率

表5 船体推进效率

图10 实船性能预报

本船电动机推进功率为2 400 kW/台，共2台，齿轮箱传送效率为0.97，轴系效率为ηs=0.99，本船螺旋桨收到功率PDt=4 609.4 kW，由表5可知，此时推进效率ηDs=0.723 7。考虑15%SM工况，本船螺旋桨收到功率：PDt=4 008.2 kW，推进效率ηDs=0.720 2，在海水水温15 °C，深水、无风、无浪、无流、无污底状况下实船航速预报结果见表6。

表6 航速预报

由此可知：阻力试验结果优于艾亚法估算结果，船体线型的剩余阻力系数低，即船体阻力性能优秀(剩余阻力系数是船体阻力性能的衡准)，船体尾部流场好，所以推力减额系数值低，船身效率ηHs高，螺旋桨效率η0s高，总推进效率也较高，最终能很好地达到预先设定的航速要求。按照型线优化结果的船模进行试验，在计算要求的有效推进功率下，85%负荷时为15.15 kn，>15.00 kn；额定功率时为15.74 kn，既能满足技术要求，又有良好的经济性。

6 结论

本16 000 m3LNG船根据设计航速时傅汝德数Fr=0.208 7以及宽度吃水比B/T=4的船型特征，采用球鼻首降低兴波阻力，采用双尾鳍双桨提高推进效率，并采用CFD手段对船体型线尤其球鼻首和双尾鳍进行了优化，理论上降低了兴波阻力和粘压阻力。其中，船体表面压力积分和尾后截面积分所得兴波阻力系数分别降低69%和40%，显著提高了推进效率。快速性试验表明船型经过CFD性能优化能够很好地实现降阻增速的效果。在试验的基础上对该船进行性能预报，结果表明，优化后的船型推进效率高、船机桨匹配度良好。