sv型球鼻船型選型研究

sv型球鼻船型選型研究

由于其抗阻性和經(jīng)濟(jì)性，這種類型的船在各種船舶的設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，包括漁船。球鼻艏對(duì)Fn=0.25~0.38速域的船舶具有明顯的減阻節(jié)能作用。CB=0.53的漁船小球艏在Fn=0.33附近滿載減阻3.3%,壓載減阻7.5%;CB=0.478的漁船水滴型球艏在Fn=0.322時(shí)滿載減阻5.6%,壓載尾傾減阻10.2%;SV型球艏滿載減阻4.2%,壓載減阻7.9%;小方形系數(shù)調(diào)查船上翹SV型球艏在Fn=0.26時(shí)滿載減阻6.7%,壓載減阻3.3%;CB=0.494的驅(qū)逐艦柱形球艏在Fn=0.373時(shí)減阻約15%;CB=0.57的BSRA漁船水滴型球艏在Fn>0.30以上縱傾減阻9%~11%,平浮增阻;CB=0.457的瘦型方艉艇水滴型球艏在Fn=0.313時(shí)減阻7.5%;CB=0.63的漁船圓球型球艏在Fn=0.30時(shí)減阻約10%。球鼻艏在減阻的同時(shí)有利于提高船的航向穩(wěn)定性,減小橫搖,在一些情況下還可改善浮態(tài)。在上海市30m級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)能漁船研究中,在對(duì)目標(biāo)船主尺度和船型優(yōu)化得到的基本船型的基礎(chǔ)上,作了增設(shè)球鼻艏的減阻效能多重模型比較試驗(yàn)研究,預(yù)期進(jìn)一步減阻5%~10%。最終結(jié)果達(dá)到滿意的預(yù)期效果。1基本船型1.1節(jié)能方案指導(dǎo)思想本研究目標(biāo)船的基本船型為不帶球鼻艏的常規(guī)漁船船型,系根據(jù)目標(biāo)要求通過(guò)對(duì)主尺度、船型、性能的綜合分析、論證,優(yōu)化得出。指導(dǎo)思想是:滿足使用要求,保證充分的安全性,達(dá)到良好的適航性、適居性和船機(jī)槳配合,追求快速性能最佳,結(jié)合其它措施應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀節(jié)能船型目標(biāo)。研究結(jié)果給出基本船型主要技術(shù)參數(shù)示見(jiàn)表1。1.2主尺度和用量的確定基本船型如圖1。其主要技術(shù)特征如下:(1)0.85D以下線型借鑒英國(guó)造船協(xié)會(huì)BSRA常規(guī)拖網(wǎng)漁船線型和國(guó)內(nèi)優(yōu)秀漁船線型光順得出;(2)艏部線型:簡(jiǎn)化為直線前傾首柱,為增設(shè)不同球艏試驗(yàn)做鋪墊。盡量減小半進(jìn)水角;根據(jù)國(guó)內(nèi)漁船使用習(xí)慣盡量做大艏外飄;(3)艉部線型:配合大艉框,可容納直徑直徑1.80m的普通螺旋槳或直徑1.60~1.70m的導(dǎo)管螺旋槳,對(duì)應(yīng)該尺度漁船的主機(jī)功率配置可以達(dá)到高的推進(jìn)效率。槳軸前方船體做成小球艉形狀。配合寬大方整后甲板面光順給出較大的尾懸體橫剖面積以保證拖網(wǎng)時(shí)船尾壓水能力;(4)舯部線型:根據(jù)設(shè)定主尺度和排水量參數(shù),按快速性和耐波性綜合尋優(yōu)所需的棱形系數(shù)確定;(5)其它:相關(guān)控制浮心縱向位置等。1.3實(shí)船速度和阻力基本船型及其增加球艏后的各項(xiàng)船模試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院工程檢測(cè)中心的船模拖曳水池中進(jìn)行。水池長(zhǎng)100m,寬6m,深2m。拖車最高拖速6m/s,可試驗(yàn)船模尺度2~4m。船模為玻璃鋼質(zhì),縮尺比λ=10,離船首L/20處裝有1mm激流絲?；敬痛Ｎ囱b槳、舵等附體。試驗(yàn)分平浮和縱傾2種狀態(tài)。阻力試驗(yàn)結(jié)果用二因次方法進(jìn)行換算,即將總阻力分成摩擦阻力和剩余阻力2大部分,并假定相同傅汝德數(shù)時(shí)船模和實(shí)船剩余阻力系數(shù)相等,其換算式為:實(shí)船速度VS=λ√VM0.5144(kn)VS=λVΜ0.5144(kn)實(shí)船總阻力系數(shù)CTS=RM0.5ρMVM2SM?CFM+CFS+ΔCFCΤS=RΜ0.5ρΜVΜ2SΜ-CFΜ+CFS+ΔCF實(shí)船阻力RS=0.5λρSVM2SSCTS(N)實(shí)船有效功率PES=VSRS1944(kW)ΡES=VSRS1944(kW)式中:下標(biāo)S和M分別代表實(shí)船和模型;VS—實(shí)船航速,kn;VM—模型航速,m/s;S—濕表面積,m2;CFS和CFM—摩擦阻力系數(shù),按1957ITTC平板摩擦公式計(jì)算;ΔCF—粗糙度補(bǔ)貼,取0.0004。1.4有效功率曲線船模阻力試驗(yàn)結(jié)果給出實(shí)船裸船體單位排水量有效功率曲線如圖2(按15℃標(biāo)準(zhǔn)海水)。常處航速區(qū)間內(nèi)在裸船體試驗(yàn)值基礎(chǔ)上增加10%附體阻力后的單位排水量功率見(jiàn)表2。1.5船型的阻力對(duì)比以常用縱傾浮態(tài)較大值為考察基準(zhǔn),結(jié)合有效功率數(shù)學(xué)模型,與目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的幾種定型漁船船型的阻力情況進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果為:該基本船型阻力相對(duì)最小,比目前快速性能良好的漁船在相近傅汝德數(shù)時(shí)降低阻力2%~7%;在本類漁船通常的10.5kn航速時(shí)降低阻力7%~30%。2球球設(shè)計(jì)2.1減阻效果分析球艏形狀大致有:柱狀撞角型、水滴型、V(瓜子)型、SV型、上翹SV型等。漁船球艏一般采用水滴型和SV型,目前應(yīng)用較多的優(yōu)秀球艏基本呈前伸SV型。球艏適用于0.25<Fn<0.38的速域,在Fn達(dá)到0.30~0.32的興波阻力峰區(qū)減阻效果尤為顯著。漁船就處在這一區(qū)間。漁船應(yīng)用球艏在減阻的同時(shí)提高了船的航向穩(wěn)定性,浮心位置控制得好還能改善浮態(tài)。表征球艏的主要參數(shù)有:球艏面積比f(wàn)b(%)=艏垂線處剖面積Ab/舯剖面積Am、球艏相對(duì)長(zhǎng)度lb(%)=球艏前端點(diǎn)距艏垂線距離Lb/垂線間長(zhǎng)Lpp;次要參數(shù)有:相對(duì)寬度bb(%)=艏垂線處球鼻最大寬度Bb/船寬B、相對(duì)體積vb(%)=球艏體積Vb/船排水體積V等。漁船類小方形系數(shù)的船舶的球艏面積比常用fb=5%~15%,球艏相對(duì)長(zhǎng)度lb=0%~7.5%。同一船型時(shí)fb應(yīng)隨Fn增大而增大,同一Fn時(shí)fb應(yīng)隨CB增大而增大;lb增大一般都對(duì)減阻有利。分析文獻(xiàn)及其它實(shí)船情況表明,fb>12%以后減阻收益率逐漸降低,fb=15%時(shí)在變浮態(tài)情況下反而會(huì)增阻;lb>5%以后減阻收益率逐漸降低,且可能影響錨泊設(shè)置。漁船艏部V形線型配合V型及其改良的SV型前伸球艏,其良好的減阻效果即使在輕載或縱傾狀態(tài)下減阻性一般也是一致的(水滴型球艏在正浮或縱傾時(shí)會(huì)出現(xiàn)增減阻相反的效果,fb大者反向作用尤甚),同時(shí)有利于減緩抨擊。設(shè)計(jì)中一般使球鼻高點(diǎn)位于正常運(yùn)行水線以下(經(jīng)驗(yàn)證有效的或特殊用途的上翹SV型球艏除外)。有文獻(xiàn)認(rèn)為L(zhǎng)b>0.2B后減阻效果甚微。本文研究發(fā)現(xiàn)此觀點(diǎn)在漁船上不適用,L/B值較大的漁船Lb可適度增大,以方便施工且不影響錨泊為準(zhǔn),用lb的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行量化分析較適宜。漁船滿載工況和輕載工況有10%~15%的吃水差,且占絕大多數(shù)的尾機(jī)尾樓型漁船通常處于縱傾狀態(tài)運(yùn)行,球艏設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以兼顧,用正浮和縱傾2種狀態(tài)減阻收益的加權(quán)平均百分?jǐn)?shù)作為考察減阻效果的一項(xiàng)衡量指標(biāo),盡量避免2種浮態(tài)減阻效果反向情況的出現(xiàn)。現(xiàn)代漁船普遍采用降功率節(jié)能運(yùn)行,應(yīng)注意有的球艏高速時(shí)減阻效果好而低速時(shí)效果會(huì)相反,應(yīng)選擇合適的fb和lb參數(shù),使船在設(shè)計(jì)航速和降功率航速的整個(gè)區(qū)間內(nèi)都有良好的減阻效果,建議取航速區(qū)間內(nèi)減阻收益的平均百分?jǐn)?shù)作為考察減阻效果的另一項(xiàng)衡量指標(biāo)。對(duì)于中小型漁船,考慮fb和lb時(shí),還應(yīng)注意到施工的方便性。2.2球參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)假定基本船型橫剖面面積曲線已達(dá)到理想阻力效果,增設(shè)球艏按主體附加方式,單純考察球艏影響。預(yù)期目標(biāo)在優(yōu)秀基本船型上增加球艏后進(jìn)一步降低阻力5%~10%?？紤]到水滴型球艏fb較小減阻效果有限,fb較大在正浮或縱傾時(shí)會(huì)出現(xiàn)增減阻相反的效果,擬采用前伸SV型球艏輪廓,設(shè)計(jì)3種球艏參數(shù)。分析多種文獻(xiàn)資料,研究給出在本船F(xiàn)n=0.325附近時(shí),最佳球艏面積比f(wàn)b=8%~12%,鑒于本船CB較小及兼顧降功率減速航行,取定fb=8%~10%,通過(guò)改變長(zhǎng)度進(jìn)行研究。3個(gè)球艏參數(shù)見(jiàn)表3,增設(shè)球艏的船型如圖3。增設(shè)球艏后排水量依球艏大小增加1.0~1.8t,CB≈0.52。3球的額外效果3.1各船型常處轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)單位排水系統(tǒng)有效功率的變化距艏垂線0.2L以后為同一船模,基本船型首部和3個(gè)帶球艏首部各為局部艏模,在分項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)前后對(duì)接構(gòu)成完整船模,保持船型比較參照物的一致性。3種球艏船模阻力試驗(yàn)結(jié)果給出實(shí)船裸船體有效功率曲線如圖4?？v傾狀態(tài)各船型常處航速區(qū)間內(nèi)單位排水量有效功率情況見(jiàn)表4。相對(duì)基本船型的阻力變化情況:(1)正浮狀態(tài):球艏Ⅰ在10.5kn、Fn=0.31以下增阻,9~10kn段平均增阻約4.4%;10.5kn以上減阻,設(shè)計(jì)航速11kn、Fn=0.325時(shí)減阻5.4%。球艏Ⅱ在9~10.5kn段與基本船型大致相同,11kn時(shí)減阻4.4%。球艏Ⅲ在8.5kn以上減阻,11kn時(shí)減阻10.4%。(2)縱傾狀態(tài):3種球艏在8.2kn以上減阻,11kn時(shí)分別減阻15.7%、16.0%、15.8%。10.5kn以下時(shí)球艏Ⅲ減阻效果不及另二球艏,且在8.2kn以下時(shí)增阻最大。3.2球?qū)?shí)際船降功率和縱傾根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,分析得出:正浮狀態(tài)球艏減阻效果對(duì)fb和lb的敏感度較強(qiáng),相對(duì)較大的fb和lb值獲得較好的效果;縱傾狀態(tài)對(duì)fb和lb的敏感度較弱,當(dāng)fb>8%、lb>3%后都能取得十分滿意的效果。對(duì)于縱傾浮態(tài)占絕大多數(shù)運(yùn)行時(shí)間的漁船而言,增設(shè)球艏可獲得很好的節(jié)能效果。具體研究球艏參數(shù)時(shí)應(yīng)結(jié)合漁船的實(shí)際運(yùn)行工況加以考慮,主要是降功率運(yùn)行的航速區(qū)間和縱傾航行的時(shí)間概率。假定本船降功率最大幅度約為50%,航速下降約13.5%,則可推出本船經(jīng)濟(jì)運(yùn)行航速區(qū)間設(shè)為9~11kn。根據(jù)本船浮態(tài)情況設(shè)正浮和縱傾各占50%。表5給出3個(gè)球艏在設(shè)計(jì)點(diǎn)和實(shí)際速域內(nèi)考慮正浮和縱傾實(shí)際情況的綜合減阻收益程度。應(yīng)予指出的是,采用速域內(nèi)多點(diǎn)平均化分析的另一好處是避免個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)誤差造成判斷有誤。由表5可見(jiàn),球艏Ⅲ在正浮和縱傾狀態(tài)下減阻都超過(guò)10%,在實(shí)際速域內(nèi)綜合減阻也超過(guò)10%,效果優(yōu)秀。本船設(shè)計(jì)中以該球艏為參照,結(jié)合錨泊和施工等要求予以綜合考慮。實(shí)現(xiàn)在優(yōu)秀基本船型上增設(shè)球艏進(jìn)一步降低阻力5%~10%的預(yù)期目標(biāo)