Chinese Journal of Ship Research
某客滚船主尺度变化对阻力性能的影响
引用格式：杨帆,郑敏敏,陈伟民, 等.某客滚船主尺度变化对阻力性能的影响[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 24–29. YANG F, ZHENG M M, CHEN W M, et al. Influence of main dimension ratio of ROPAX on ship resistance performance [J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(2): 24–29.
杨帆*1，郑敏敏1，陈伟民1，董国祥1，卢晨2 1上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海200135 2上海船舶研究设计院，上海 201203
摘 要:［目的］从节能减阻方面对客滚船的主尺度比进行研究。［方法］利用模型试验和数值模拟的方法，研究船舶主尺度比（长宽比L/B、船宽吃水比B/T）变化对阻力性能的影响。［结果］结果表明，某700 客位客滚船不同L/B方案之间的有效功率在较低航速时最大差异仅为150 W ，在较高航速时最大差异增大到1 300 W；不同 B/T方案之间的有效功率在较低航速时最大差异为170 W，在较高航速时最大差异仅为300 W。［结论］研究发现：增大L/B值能够明显减小实船航速对应的模型阻力和实船有效功率；不同B/T 方案的实船有效功率相差不明显。关键词：客滚船；主尺度比；阻力性能；数值模拟中图分类号: U661.31 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01854 Influence of main dimension ratio of ROPAX on ship resistance performance YANG Fan*1, ZHENG Minmin1, CHEN Weimin1, DONG Guoxiang1, LU Chen2 1 State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China 2 Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute, Shanghai 201203, China Abstract: ［Objectives ］ This paper investigates the main dimensions of ROPAX ship in the aspect of energy saving and resistance reduction.［Methods ］ By using ship model tests and numerical simulations, the effects of changes in the main dimension ratio of a ROPAX ship on its resistance performance are studied.［Results ］ The results show that the maximum difference in effective power between different L/B schemes is only 150 W at lower speeds, increasing to 1 300 W at higher speeds, while the maximum difference in effective power between different B/T schemes is only 170 W at lower speeds, increasing to 300 W at higher speeds.［Conclusions ］ This paper shows that increasing the L/B value can significantly reduce the model resistance and effective power of the ship, and there is no significant difference in effective power with different B/T values. Key words: roll-on/roll-off passenger (ROPAX)；main dimension ratio；resistance performance；numerical simulation 0 引 言客滚船（ROPAX）是用于中短途运送乘客、货
物和车辆的一种重要交通方式。目前，国际上使用客滚船进行运输的区域主要集中在欧洲的波罗的海、北海、地中海、日本列岛之间和美国沿海收稿日期: 2019–12–16 修回日期: 2020–05–25 网络首发时间: 2021–03–25 13:43作者简介: 杨帆，男，1988 年生，硕士，助理研究员。研究方向：船舶快速性数值模拟，船型优化，节能装置设计等。E-mail：yang.fan5@coscoshipping.com郑敏敏，女，1985 年生，副研究员。研究方向：船舶水动力。E-mail：zheng.minmin@coscoshipping.com陈伟民，男，1977 年生，研究员。研究方向：船舶水动力。E-mail：chen.weimin@coscoshipping.com董国祥，男，1967 年生，博士，研究员。研究方向：船舶水动力。E-mail：dong.guoxiang@coscoshipping.com卢晨，男，1981年生，硕士，研究员。研究方向：船舶总体研究与设计 。E-mail：rnd@sdari.com.cn *通信作者:杨帆
地区，我国主要在渤海湾和南海使用较多。随着中、韩两国之间自由贸易协定的正式生效，两国之间密切的货物贸易和人员交流促进了高端客滚船市场的持续升温。然而，在中韩航线上，目前运营的客滚船大部分是平均船龄约25 年的二手船舶[1]。而 HIS Fairplay 数据库显示，2018~2019 年间计划或者已经交付的客滚船仅有4艘。针对中韩航线的市场需求，新型客滚船亟待开发。在客滚船的设计开发初期，主尺度的确定往往需要综合考虑车道长度、旅客数、载重量、港口条件、建造成本以及水动力性能等因素。在客滚船新船型的开发过程中，在主尺度满足船型开发任务书要求的范围内，认为可以适当调整主尺度来改进客滚船的阻力性能，减低油耗。齐翔等[2] 基于数学船型，采用非线性规划算法对舰船主尺度进行了设计优化；张恒等[3] 以 5100 TEU集装箱船为研究对象，对该船主尺度影响船舶阻力性能的敏感度进行了分析；苏绍娟等[4] 根据经验公式，运用优化算法对一艘多用途船的主尺度进行了初步的优化。从公开的资料来看，目前少有学者从节能减阻方面对客滚船的主尺度比进行研究。本文拟针对某客滚船，采用模型试验与数值模拟相结合的方法，在相同排水量的前提下，通过研究主尺度比变化对阻力性能的影响，试图寻找该类型客滚船主尺度比与阻力的变化关系，为今后该类型船舶的初步设计提供技术支持。
1 研究方法
一直以来，船模试验是研究船舶水动力性能的重要手段，其良好的可靠性在业内已得到公认。但是，船模试验因成本高、周期长，使得其无法更多地参与到船舶设计前期对线型的研究中。近年来，随着计算成本的下降以及数值模拟技术的发展，船模阻力数值模拟技术已经在业内得到了普遍使用，其计算精度也相当不错[5-10]。在船模阻力试验中，针对阻力的测试并不复杂。因船模周围流体运动复杂多变，而船模阻力数值模拟是对模型试验中流动现象的仿真模拟，流动的复杂性导致船模阻力数值模拟具有一定的难度，因此其计算精度和稳定性仍有待进一步提高。可见，在船舶阻力预报方面，目前的数值模拟尚未达到完全替代模型试验的程度。客滚船的主尺度比对阻力性能的影响研究往往需要产生十几种不同主尺度比的船型，然后对这些线型进行阻力性能评估。如果都进行水池试验，这项研究的成本势必非常高昂。为了节省研
究成本，本文研究所需的大部分数据均由船模阻力数值模拟得到。为了增加数值计算的可靠性，对该客滚船的基本船型进行了模型试验，并将模型试验数据与数值模拟结果进行了比较。
1.1 数值计算方法
船模阻力性能的数值模拟利用商业软件 STARCCM+完成，计算时所使用的控制方程包括不可压缩流体连续性方程和动量方程。连续性方程：
式中：ui 和 uj 为速度分量的雷诺平均值；xi和 xj 为坐标分量；下标 i（i=1, 2, 3）和 j（j=1, 2, 3）为不同的方向；t 为时间；ρ 为流体密度；p 为流体时均压力； µ为流体动力黏度； fi为体积力；−ρ u iu′j ′ 为雷诺应力。进行数值模拟时，选取SST k-ω 湍流模型和流体体积法（VOF）模型模拟船体兴波。
1.2 基本船型和变值参数
本文以某新型客滚船为基本船型，通过变化船舶长宽比（L/B）和船宽吃水比（B/T）来研究这 2 个参数对船舶阻力性能的影响。基本船型为700 客位（1.8 万吨级）的中、高速客滚船，其主尺度比和设计航速如表1所示，该船型的三维模型如图1所示。
1.3 计算区域与网格
由于船体对称，数值模拟时只选取左舷侧船体进行几何建模和数值计算。船体垂线间长为Lpp，设置计算域总长为 9Lpp，宽为 2.5Lpp，高约 3.5Lpp，计算域及边界条件如图2所示。船体附近网格划分的总体情况如图3所示。
1.4 模型试验验证
为了验证数值模拟方法的可靠性，在上海船舶运输科学研究所拖曳水池进行了该客滚船基本船型的快速性模型试验。图4为模型试验照片。表 2所示为该客滚船在不同航速时的试验和计算阻力结果。从表中可以看出，本文所采用的数值计算方法精度良好，可以用于该船型其他不同方案阻力性能的评估。
2 船舶长宽比对阻力性能的影响
船舶主尺度（主尺度比）的确定需要综合考虑各种因素，例如布置要求、船舶水动力性能、经济性、航线及港口条件等，本节将仅从船舶阻力的角度对船舶长宽比L/B的选取进行初步探究。L/B表征船体的细长程度。在讨论该参数对阻力性能的影响时，该船的型排水体积、船宽吃水比 B/T 均保持不变。表3所示为不同L/B 方案的主尺度比及湿表面积S变化情况。图5所示为不同 L/B 情况下模型总阻力随实船航速Vs 变化而变化的曲线图。从图中可以看出，在速度较低的工况下，不同L/B方案之间的模型总阻力差异并不明显，但随着航速的增加，这种差异逐渐显现；在设计航速为 21 kn甚至更高速情况下，模型总阻力随着 L/B的增大而明显减小。
式中：cts 为总阻力系数；cfs为摩擦阻力系数，其值按照 1957 年第8 届 ITTC建议的摩擦阻力公式计算；crs 为剩余阻力系数，其值由试验确定； ρs为标准温度 15 ℃ 时的海水密度，kg/m3。图6 所示为不同 L/B 情况下实船有效功率PE 随航速的变化