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)濟性，這種類型的船在各種船舶的設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用，包括漁船。球鼻艏對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時減阻7.5%;CB=0.63的漁船圓球型球艏在Fn=0.30時減阻約10%。球鼻艏在減阻的同時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級標準化節(jié)能漁船研究中,在對目標船主尺度和船型優(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研究,預(yù)期進一步減阻5%~10%。最終結(jié)果達到滿意的預(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)目標要求通過對主尺度、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,達到良好的適航性、適居性和船機槳配合,追求快速性能最佳,結(jié)合其它措施應(yīng)用,實現(xiàn)優(yōu)秀節(jié)能船型目標。研究結(jié)果給出基本船型主要技術(shù)參數(shù)示見表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以下線型借鑒英國造船協(xié)會BSRA常規(guī)拖網(wǎng)漁船線型和國內(nèi)優(yōu)秀漁船線型光順得出;(2)艏部線型:簡化為直線前傾首柱,為增設(shè)不同球艏試驗做鋪墊。盡量減小半進水角;根據(jù)國內(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,對應(yīng)該尺度漁船的主機功率配置可以達到高的推進效率。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實船速度和阻力基本船型及其增加球艏后的各項船模試驗在江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院工程檢測中心的船模拖曳水池中進行。水池長100m,寬6m,深2m。拖車最高拖速6m/s,可試驗船模尺度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。試驗分平浮和縱傾2種狀態(tài)。阻力試驗結(jié)果用二因次方法進行換算,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)時船模和實船剩余阻力系數(shù)相等,其換算式為:實船速度VS=λ√VM0.5144(kn)VS=λVΜ0.5144(kn)實船總阻力系數(shù)CTS=RM0.5ρMVM2SM?CFM+CFS+ΔCFCΤS=RΜ0.5ρΜVΜ2SΜ-CFΜ+CFS+ΔCF實船阻力RS=0.5λρSVM2SSCTS(N)實船有效功率PES=VSRS1944(kW)ΡES=VSRS1944(kW)式中:下標S和M分別代表實船和模型;VS—實船航速,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平板摩擦公式計算;ΔCF—粗糙度補貼,取0.0004。1.4有效功率曲線船模阻力試驗結(jié)果給出實船裸船體單位排水量有效功率曲線如圖2(按15℃標準海水)。常處航速區(qū)間內(nèi)在裸船體試驗值基礎(chǔ)上增加10%附體阻力后的單位排水量功率見表2。1.5船型的阻力對比以常用縱傾浮態(tài)較大值為考察基準,結(jié)合有效功率數(shù)學(xué)模型,與目前國內(nèi)廣泛使用的幾種定型漁船船型的阻力情況進行對比分析,結(jié)果為:該基本船型阻力相對最小,比目前快速性能良好的漁船在相近傅汝德數(shù)時降低阻力2%~7%;在本類漁船通常的10.5kn航速時降低阻力7%~30%。2球球設(shè)計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fb(%)=艏垂線處剖面積Ab/舯剖面積Am、球艏相對長度lb(%)=球艏前端點距艏垂線距離Lb/垂線間長Lpp;次要參數(shù)有:相對寬度bb(%)=艏垂線處球鼻最大寬度Bb/船寬B、相對體積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%,球艏相對長度lb=0%~7.5%。同一船型時fb應(yīng)隨Fn增大而增大,同一Fn時fb應(yīng)隨CB增大而增大;lb增大一般都對減阻有利。分析文獻及其它實船情況表明,fb>12%以后減阻收益率逐漸降低,fb=15%時在變浮態(tài)情況下反而會增阻;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會出現(xiàn)增減阻相反的效果,fb大者反向作用尤甚),同時有利于減緩抨擊。設(shè)計中一般使球鼻高點位于正常運行水線以下(經(jīng)驗證有效的或特殊用途的上翹SV型球艏除外)。有文獻認為Lb>0.2B后減阻效果甚微。本文研究發(fā)現(xiàn)此觀點在漁船上不適用,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,用lb的百分數(shù)進行量化分析較適宜。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)的尾機尾樓型漁船通常處于縱傾狀態(tài)運行,球艏設(shè)計時應(yīng)予以兼顧,用正浮和縱傾2種狀態(tài)減阻收益的加權(quán)平均百分數(shù)作為考察減阻效果的一項衡量指標,盡量避免2種浮態(tài)減阻效果反向情況的出現(xiàn)?，F(xiàn)代漁船普遍采用降功率節(jié)能運行,應(yīng)注意有的球艏高速時減阻效果好而低速時效果會相反,應(yīng)選擇合適的fb和lb參數(shù),使船在設(shè)計航速和降功率航速的整個區(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數(shù)作為考察減阻效果的另一項衡量指標。對于中小型漁船,考慮fb和lb時,還應(yīng)注意到施工的方便性。2.2球參數(shù)優(yōu)化設(shè)計假定基本船型橫剖面面積曲線已達到理想阻力效果,增設(shè)球艏按主體附加方式,單純考察球艏影響。預(yù)期目標在優(yōu)秀基本船型上增加球艏后進一步降低阻力5%~10%。考慮到水滴型球艏fb較小減阻效果有限,fb較大在正浮或縱傾時會出現(xiàn)增減阻相反的效果,擬采用前伸SV型球艏輪廓,設(shè)計3種球艏參數(shù)。分析多種文獻資料,研究給出在本船F(xiàn)n=0.325附近時,最佳球艏面積比fb=8%~12%,鑒于本船CB較小及兼顧降功率減速航行,取定fb=8%~10%,通過改變長度進行研究。3個球艏參數(shù)見表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個帶球艏首部各為局部艏模,在分項試驗時前后對接構(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結(jié)果給出實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表4。相對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)計航速11kn、Fn=0.325時減阻5.4%。球艏Ⅱ在9~10.5kn段與基本船型大致相同,11kn時減阻4.4%。球艏Ⅲ在8.5kn以上減阻,11kn時減阻10.4%。(2)縱傾狀態(tài):3種球艏在8.2kn以上減阻,11kn時分別減阻15.7%、16.0%、15.8%。10.5kn以下時球艏Ⅲ減阻效果不及另二球艏,且在8.2kn以下時增阻最大。3.2球?qū)嶋H船降功率和縱傾根據(jù)試驗結(jié)果,分析得出:正浮狀態(tài)球艏減阻效果對fb和lb的敏感度較強,相對較大的fb和lb值獲得較好的效果;縱傾狀態(tài)對fb和lb的敏感度較弱,當fb>8%、lb>3%后都能取得十分滿意的效果。對于縱傾浮態(tài)占絕大多數(shù)運行時間的漁船而言,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)時應(yīng)結(jié)合漁船的實際運行工況加以考慮,主要是降功率運行的航速區(qū)間和縱傾航行的時間概率。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)濟運行航速區(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個球艏在設(shè)計點和實際速域內(nèi)考慮正浮和縱傾實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)多點平均化分析的另一好處是避免個別試驗點誤差造成判斷有誤。由表5可見,球艏Ⅲ在正浮和縱傾狀態(tài)下減阻都超過10%,在實際速域內(nèi)綜合減阻也超過10%,效果優(yōu)秀。本船設(shè)計中以該球艏為參照,結(jié)合錨泊和施工等要求予以綜合考慮。實現(xiàn)在優(yōu)秀基本船型上增設(shè)球艏進一步降低阻力5%~10%的預(yù)期目標