摘要:[目的]從節能減阻方面對客滾船的主尺度比進行研究。[方法]利用模型試驗和數值模擬的方法，研究船舶主尺度比(長寬比L/B、寬度吃水比B/T)變化對阻力性能的影響。[結果]結果表明，某700客位客滾船不同L/B方案之間的有效功率在較低航速時最大差異僅為150W，在較高航速時最大差異增大到1300W;不同B/T方案之間的有效功率在較低航速時最大差異為170W，在較高航速時最大差異僅為300W。[結論]研究發現：增大L/B值能夠明顯減小實船航速對應的模型阻力和實船有效功率;不同B/T方案的實船有效功率相差不明顯。

　　關鍵詞：客滾船;主尺度比;阻力性能;數值模擬

　　0引　言

　　客滾船(ROPAX)是用于中短途運送乘客、貨物和車輛的一種重要交通方式。目前，國際上使用客滾船進行運輸的區域主要集中在歐洲的波羅的海、北海、地中海、日本列島之間和美國沿海地區，我國主要在渤海灣和南海使用較多。隨著中、韓兩國之間自由貿易協定的正式生效，兩國之間密切的貨物貿易和人員交流促進了高端客滾船市場的持續升溫。然而在中韓航線上，目前運營的客滾船大部分是平均船齡約25年的二手船舶[1]。而HISFairplay數據庫顯示，2018~2019年間計劃或者已經交付的客滾船僅有4艘。

　　針對中韓航線的市場需求，新型客滾船亟待開發。在客滾船的設計開發初期，主尺度的確定往往需要綜合考慮車道長度、旅客數、載重量、港口條件、建造成本以及水動力性能等因素。在客滾船新船型的開發過程中，在主尺度滿足船型開發任務書要求的范圍內，認為可以適當調整主尺度來改進客滾船的阻力性能，減低油耗。齊翔等[2]基于數學船型，采用非線性規劃算法對艦船主尺度進行了設計優化。

　　張恒等[3]以5100TEU集裝箱船為研究對象，對該船主尺度影響船舶阻力性能的敏感度進行了分析;蘇紹娟等[4]根據經驗公式，運用優化算法對一艘多用途船的主尺度進行了初步的優化。從公開的資料來看，目前少有學者從節能減阻方面對客滾船的主尺度比進行研究。本文擬針對某客滾船，采用模型試驗與數值模擬相結合的方法，在相同排水量的前提下，通過研究主尺度比變化對阻力性能的影響，試圖尋找該類型客滾船主尺度比與阻力的變化關系，為今后該類型船舶的初步設計提供技術支持。

　　1研究方法

　　一直以來，船模試驗是研究船舶水動力性能的重要手段，其良好的可靠性在業內已得到公認。但是，船模試驗因成本高、周期長，使得其無法更多地參與到船舶設計前期對線型的研究中。近年來，隨著計算成本的下降以及數值模擬技術的發展，船模阻力數值模擬技術已經在業內得到了普遍使用，其計算精度也相當不錯[5-10]。在船模阻力試驗中，針對阻力的測試并不復雜。因船模周圍流體運動復雜多變，而船模阻力數值模擬是對模型試驗中流動現象的仿真模擬，流動的復雜性導致船模阻力數值模擬具有一定的難度，因此其計算精度和穩定性仍有待進一步提高。

　　可見在船舶阻力預報方面，目前的數值模擬尚未達到完全替代模型試驗的程度。客滾船的主尺度比對阻力性能的影響研究往往需要產生十幾種不同主尺度比的船型，然后對這些線型進行阻力性能評估。如果都進行水池試驗，這項研究的成本勢必非常高昂。為了節省研究成本，本文研究所需的大部分數據由船模阻力數值模擬得到。為了增加數值計算的可靠性，對該客滾船的基本船型進行了模型試驗，并將模型試驗數據與數值模擬結果進行了比較。

　　1.1數值計算方法

　　船模阻力性能的數值模擬利用商業軟件STARCCM+完成，計算時所使用的控制方程包括不可壓縮流體連續性方程和動量方程。

　　1.2基本船型和變值參數本文以某新型客滾船為基本船型，通過變化船舶長寬比(L/B)和船寬吃水比(B/T)來研究這2個參數對船舶阻力性能的影響。

　　2船舶長寬比對阻力性能的影響

　　船舶主尺度(主尺度比)的確定需要綜合考慮各種因素，例如布置要求、船舶水動力性能、經濟性、航線及港口條件等，本節將僅從船舶阻力的角度對船舶長寬比L/B的選取進行初步探究。L/B表征船體的細長程度。在討論該參數對阻力性能的影響時，該船的型排水體積、船寬吃水比B/T均保持不變。為不同L/B方案的主尺度比及濕表面積S變化情況。在速度較低的工況下，不同L/B方案之間的模型總阻力差異并不明顯，但隨著航速的增加，這種差異逐漸顯現;在設計航速為21kn甚至更高速情況下，模型總阻力隨著L/B的增大而明顯減小。

　　3船寬吃水比對阻力性能的影響

　　∆船寬吃水比B/T表征船體的扁平程度。在討論該參數對阻力性能的影響時，該船型的排水體積，L/B均保持不變。對不同航速下的阻力進行了數值評估。對比以上兩圖可以發現，在B/T變化時，客滾船模型阻力的變化趨勢與實船有效功率的變化趨勢有差異。導致該差異的原因是，在利用二因次換算方法進行實船有效功率換算時，實船與模型雷諾數不同，故二者的摩擦阻力所占比例也不同，實船摩擦阻力所占比例較模型小，剩余阻力所占比例較模型大。

　　在較低航速時，實船摩擦阻力占實船總阻力的比重依然較大，此時，選擇較小的B/T(濕表面積較小)對阻力性能的提升更為有利。隨著航速的增加，實船剩余阻力占實船總阻力的比例迅速提高(比模型尺度提升得快)，在較高航速下，實船剩余阻力占比較大，此時選擇較大的B/T(修長系數較大)對阻力性能的提升更為有利。在客滾船的初步設計階段往往關心的是實船有效功率，本文建議從實船有效功率的角度出發，根據實際設計情況合理選取B/T值。

　　船舶論文投稿刊物：《船舶工程》由中國造船工程學會主管主辦，國際刊號ISSN：1000-6982;國內刊號CN：31-1281/U，郵發代號：4-251。該刊被以下數據庫收錄：中國科學引文數據庫(CSCD—2008)核心期刊：中文核心期刊(2008)中文核心期刊(2004)中文核心期刊(2000)中文核心期刊(1996)中文核心期刊(1992)。

　　4結　論

　　本文以某新型客滾船為研究對象，利用模型試驗與數值計算相結合的方法，研究了主尺度比變化對模型阻力和實船有效功率的影響，得到可為今后該類型船舶的初步設計提供參考的一些結論：1)增大L/B值雖然增大了濕表面積，增加了摩擦阻力，但有利于改善船體的興波和表面壓力分布，剩余阻力減小更為明顯�？蜐L船為中、高速船舶，剩余阻力占總阻力的比重較大，增大L/B值能夠減小模型阻力和實船有效功率。2)B/T在一定范圍變化時，剩余阻力和摩擦阻力的變化存在著此優彼劣的關系，并且B/T的變化對2種阻力成分的改善不如L/B明顯。在進行客滾船方案設計時，應該具體問題具體分析。對于與本文相當的客滾船，在較低航速時，減小B/T可望減小實船有效功率;在速度較高時，增大B/T可望減小實船有效功率;在設計航速21kn附近，不同B/T方案的實船有效功率相差不明顯。

　　參考文獻：

　　孫家鵬,張敏健.中韓航線客滾船設計特點及關鍵技術[J].船舶與海洋工程,2018,34(1):31–35,42.

　　SUNJP,ZHANGMJ.DesignfeaturesandkeytechnologiesofropaxshipforSino-SouthKorearoute[J].NavalArchitectureandOceanEngineering,2018,34(1):31–35,42(inChinese).[1]

　　齊翔,唐曉,齊歡.基于數學船型的艦船主尺度設計優化[J].船舶工程,2018,40(增刊1):13–15,109.

　　QIX,TANGX,QIH.Designoptimizationofshipmainscalebasedonmathematicalhulltype[J].ShipEngineering,2018,40(Supp1):13–15,109(inChinese).

　　[2]張恒,詹成勝,劉祖源,等.基于船舶阻力性能的船型主尺度參數敏感度分析[J].船舶工程,2015,37(6):11–14

　　作者：楊帆*1，鄭敏敏1，陳偉民1，董國祥1，盧晨2