集装箱运输船快速性研究的进展

集装箱运输船快速性研究的进展

0集装箱船性能发展现状随着世界经济的快速发展，从2000年到2009年，集装箱运输船的性能发生了很大进步。从20世纪90年代的巴拿马型集装箱船到目前已经营运的万箱型集装箱运输船,不论从主尺度还是线型设计方面都有了很大的变化。我国的集装箱运输船建造突飞猛进,进入了世界先进行列,集装箱船的快速性能研究也愈来愈深入。现介绍近十年来集装箱船快速性研究的进展及设计应注意的关键问题。1集装箱船线型设计集装箱船是布置型船,主尺度的选取是第1位的。船舶性能研究工作要配合设计师给出较佳的船型参数组合和优良的船体线型,这是集装箱船线型设计的关键。集装箱船线型特点如下:●横剖面线型前体V型,后体V-U结合;●设计水线以上外飘较大;●全船为宽式甲板;●横稳心高,对水线面系数有一定要求;●采用球首,球尾线型;●浮心位置在船中-1～1%LPP;●Fn在0.2～0.3之间。这些特点决定了集装箱船线型设计与快速性的关系。2船模试验对比表1给出了我国建造的3型集装箱运输船的主尺度及快速性参数。船模试验均在德国HSVA水池进行,其中有2艘同时在上海船舶运输科学研究所(SSSRI)进行水池试验。从表1中可以看出,目前国内设计建造集装箱船的能力有了极大的提高,船舶快速性能越来越优秀。表2给出了主尺度比相近、但方形系数差异较大的2艘大型集装箱船的比较,该船模试验均在上海船舶运输科学研究所进行。从表1、表2中可以看出,从A型船舶性能研究到现在B型线型设计上有了较大进步,表2的比较中,B型船与A型船相比,L/B、B/T两船比较接近,Cb相差较大,分别为0.58与0.64,对Fn=0.256的船是比较敏感的,但是B型的快速性在相同Fn时,优于A型,说明8年来国际上集装箱船线型优化设计有了飞跃发展。我国的大型集装箱船的船型研究也上了一个新的台阶。3集装箱船的总阻力及快速性主设计师是按布置要求决定集装箱运输船的主尺度。从快速性能出发,船舶线型设计研究者可建议主设计师对球首参数、浮心的纵向位置、横剖面面积曲线的形状、球尾的形状以及尾框进行优选确定。横剖面V型、U型变化即排水量上下分布,以及设计水线的进流角与去流角的大小。1.浮心纵向位置Xc的选取。2009年以前大型集装箱船方形系数偏小,大多小于0.65,Fn偏高,在0.23～0.26附近,Xc大多为中后。由于油价高昂,近期Fn有所下降,在0.18～0.22之间,Cb上升,Xc应相应变化。2.方形系数Cb的选取。集装箱船因Fn数较高,故对方形系数比较敏感,方形系数对阻力影响较大。对于每一个特定船型总阻力系数CT与Fn关系曲线上对应的Cb值会有一Fn的“临界值”,即对应任一Fn也有1个同样临界的Cb。当Fn≤0.3时,可选用亚历山大公式或台尔弗公式等来计算适宜的Cb。台尔弗公式为Cb=1.0-1.25(B/L+1)Fn,亚历山大公式为Cb=C-1.68Fn,对于大型集装箱船C可取1.06。从上述经验公式中,可以看出Cb与Fn和L/B的关系是相互影响、相互制约的。3.中小集装箱船一般L/B较小,L/B<6,Fn偏高,这种船快速性能设计要求高,快速性方面往往难度高于大型集装箱船。4.保持Cb不变,L/B、B/T在某一范围内变化,对Cr的影响很大。表3给出了某一船型(船型1)变化船型参数(船型2,船型3)通过模型试验得出的快速性参数。从船型1变到船型2,虽然L/B变小,从7.659到7.098;B/T变大,从2.932到3.164;Fn不变;Cr变小,从0.756到0.704。推力减额分数、伴流分数变化不大。但从船型1变到船型3,L/B从7.659到6.622;B/T从2.932到3.39;Cr增加,推力减额分数、伴流分数相应增大。从表3列出的数据可以说明,在L/B达到一定值时,并不是L/B越大越好。4球首连接系统的优化随着CFD计算技术的日趋完善,集装箱运输船线形优化工作也更加便捷。因为集装箱船为布置型船,在主尺度等参数已确定的情况下,优化的关键是首尾部线型。球首参数的选取尤为重要。下文介绍1艘超大型集装箱船球首、球尾线型设计及船模试验研究结果,以直观展示球首、球尾对快速性能的影响。4.1球首设置设计船体球首设计,主要是通过球首与船首兴波的有利干扰来减少兴波阻力,要求球首体积集中首柱以前,与船体连接处体积尽可能小,球首参数包括球首伸出长度lB,宽度bB,球体中心高hB,第20站球首面积AB等。本船设计了2个SV型球首,其中,方案1球首均在设计水线以下,球首上部较低,有利降低首部兴波;方案2球首较大,为上翘式球首,伸出较长,并局部高出设计水线,使球首形心上移。设计思想是球首兴波与后面船体兴波形成有利干扰。4.2船身推进高效低本船参考母型船尾部设计成球尾,采用球尾船型,伴流分布均匀,船身效率好,改善尾部振动,提高总推进效率。影响球尾效果的主要参数是球体横剖面积、球体宽度、球心位置等。4.3船模型和实验波的形成图1至图4为方案1、方案2船模前体形状及满载试验状况。4.4波积比cr值试验中可见,在Fn=0.245～0.265范围,方案1首波较好,剩余阻力较小;方案2球首形心高,除球首波与船波有利于干扰外,球首高出水面,形成较大波峰、波谷,故Cr值偏大。虽然后体形状未变,但自航分析用的是等推力法,故方案2推力减额分数及伴流分数均较方案1小,但总的推进效率相当。4.5伴随流场测试结果轴向伴流见图5、图6,从图中可以看出球尾线型伴流分布均匀。5参数之间的关系1.在集装箱运输船方形系数的选取中建议采用台尔弗公式:Cb=1.0-1.25(B/L+1)Fn,因为它给出了Cb,L/B,Fn三者之间的关系,但随着Fn和Cb的