0 引　言

近年来，随着豪华邮轮市场的快速增长，诞生了大量不同于以往邮轮的新船，邮轮市场的船型逐渐趋于丰富化。在整体的船型趋势发展上，国内已有大量学者进行了研究。董婧^[1]对邮轮发展史上一系列代表性船型的参数作了分析，总结了世界邮轮发展大型化趋势。王诺^[2]的研究指出，为避免船舶吃水显著增加，现代邮轮呈现出“肥大型”的发展趋势。张言庆等^[3]曾对邮轮船型发展趋势作出分析，指出邮轮船型大型化和邮轮船队规模化是现代邮轮业发展的显著趋势。李华等^[4]从关键参数角度对当时全球在营的228艘豪华邮轮的关键船型参数进行了统计分析，除了以上的趋势外，还指出邮轮产业日趋明显的低碳环保趋势。

在研究船型的时候，首先需要进行的即是邮轮的船首开发。经历了上千年的发展，已经诞生了极为丰富的船首，包括冲角首、垂直首、双曲线首、勺形首、飞剪首、倾斜首、球鼻首和破冰首等。到了现代，又出现了一些新型的船首，如乌斯坦的X型首和达门的斧型首。在现代豪华邮轮的设计中，主要采用的是前倾首和球鼻首的组合，即水线以下是球鼻首，水线以上是前倾首的船首类型，目的是尽可能地压住或者劈开海浪，以便邮轮达到更高的航速。而当船首下沉时，向外飘的曲线也可以使水下体积呈指数级增长，从而导致浮力快速增长，船首更快复位，大大提高了纵摇稳定性，减少了埋首现象，阻止了海浪冲上甲板。

近年来，随着邮轮市场需求的高速增长和船厂建造能力的提高，豪华邮轮船型又出现了新的趋势，垂直首再次被邮轮设计者所采用，其主要的优势除了拉长的水线有利于增加船体的长宽比，便于快速航行，减少船舶能耗之外，波浪砰击和水动噪声也优于外伸的球鼻首，而唯一的缺点是船体易上浪，但现代的豪华邮轮动辄十几万吨的体量，干舷比较富裕，首部距离水面的距离足够高，因此难以上浪，尽可能地减少了直首带来的不利影响^[5-6]。目前采用该类型船首的邮轮有AIDA邮轮的prima号和perla号、Celebrity邮轮的Edge号和Apex号、Virgin邮轮的Scarlet lady号等。此外，还有采用“垂直首+小球首”组合船首的Costa Smeralda号，均为近几年才下水的新船。

以上的船型外形可以总结为如图1所示的2种船首类型。

1 模型的建立及计算

水线以下为球鼻首，以上为前倾首的船型在邮轮行业经历了一定时间的发展，是目前的主流船型，以下称为常规球首船型，带有隐形球首的垂直首船型以下则称为隐形球首船型。根据球鼻首的设计原理，球鼻首的主要作用机理是通过预先产生兴波来对船首水线处产生的兴波进行抵消，以减小兴波阻力，显然隐形球首船型设计之初的目的与常规球鼻首存在本质性的区别。

1）要进行船舶设计的基础考虑，即主尺度要素的考虑，主尺度选择是否合适直接影响后续设计工作，因此选择适当的主尺度尤为重要。传统船舶设计的主尺度包括长L、宽B和吃水T等，在进行邮轮的研究时则需要考虑注册总吨位GRT，载客量和舱室数量等因素。经过综合的考量后，将本文建立的2种邮轮定位为15万总吨，最终选择的2种船型的主参数如表1所示。为了方便计算选择了42.8的缩尺比，后续的结果也是缩尺后的结果对比。

2）在剖析豪华邮轮设计中隐形球首船型出现的原因时，需要确认本文研究所需要考虑的2种船首具体的形状，因此分别绘制了常规球首船型和隐形球首船型的型线图，以便通过CFD软件STAR-CCM+计算对比获取船型的特征和快速性性能，具体如图2所示。

3）利用上述2种模型的型线图对2种船首模型进行建模，划分网格，分别获得模型的表面计算网格，具体如图3所示。

建立以上2种模型的主要目的是通过STAR-CCM+进行CFD计算，得出隐形球首船型与常规球首船型的优劣所在，分析隐形球首在豪华邮轮行业应用的前景，明确设计和优化的方向。

2 计算结果分析 2.1 数值结果的对比

为了更好地对比船型在设计航速附近的快速性，分析了2种船型分别从18 kn到36 kn的阻力。这种研究方法的原因主要由2种，一是由于了解到目前运营的豪华邮轮航速普遍在18～25 kn左右，需要明确2种船首模型在邮轮正常航速区间内的船型性能；二是需要通过高速航行时2种船首模型的阻力变化明确船型的兴波阻力剧烈变化的临界速度V_c，该参数往往决定了设计的船型方案最为合适的最高航速。

对比常规球首和隐形球首的总阻力-航速曲线以及兴波阻力-航速曲线，如图4所示。

获取常规球首和隐形球首分别在18，22和25 kn时的波形图，主要目的是对比2种船型在不同服务航速段时的波形特征，如图5所示。可以发现波形整体上没有明显的差异，主要的差异在于隐形球首船型整体上保持得较为均匀，主要是船首部和尾部存在较高的兴波，常规球首船型的首部则拥有更高更明显的兴波。

2.2 隐形球首船型的特征

通过上述的数据和图示可以发现，常规船首和隐形球首在邮轮通常的服务航速段即18～25 kn之间，总阻力的差异并不明显，呈现出的趋势为：在18～20 kn航速段内，隐形球首的阻力更小；在20～23 kn航速段内，常规球首的阻力更小；在23～25 kn航速段内，隐形球首的阻力再次小于常规球首。

本文在建立隐形球首的模型时，考虑的是整体的总长、船宽和排水量保持不变，主要是通过调整首部线型，拉长水线的方式来完成，因此隐形球首模型具有更大的水线长宽比。从图4（b）的结果中可以清晰地看到本文建立的隐形球首的兴波阻力小于常规球首，证明在兴波阻力的表现上，隐形球首拉长的水线和隐形球首的设计带来的兴波减小整体上优于常规球首船型的兴波阻力。与此相对，更长的水线也会带来更大的湿表面积，同时带来更大的摩擦阻力，因此在选择２种船首时，需要考虑摩擦阻力增大和兴波阻力减小的影响。

以上发现整体上符合球鼻首的作用机理，对于附带常规球鼻首的豪华邮轮，在适当的航速段内（如图5所列举的22 kn左右），其快速性略优于附带隐形球首的豪华邮轮，具体合适的航速段选取则可以回顾图4（b）的兴波阻力曲线，在28～29 kn之间，常规球首船型经历了兴波阻力的骤升，达到了该船型的兴波阻力临界速度。为了更好地规避临界速度V_c，往往可以选择75%的临界速度V_c作为设计航速。根据以上考虑，对于本文所建立的常规球首船型，设计航速可以在21～21.75 kn之间考虑，恰好处于图4（a）中常规球首总阻力小于隐形球首的区间。

图4（b）中显示隐形球首的阻力变化较为缓和，倘若在设计时有特殊需求，比如最高达到25 kn以上的横跨大西洋高速航线，或船东日趋关注的18 kn左右经济航速下的性能，则可以考虑采用隐形球首的设计，而且本文所建立的模型仅为对比验证，尚有很大的优化空间。

3 结　语

本文主要通过总结目前豪华邮轮市场出现的新船型趋势，对附带隐形球首的垂直船首进行了建模，并且通过CFD计算，与传统的球鼻首进行了对比，得到以下结论：

1）在近5年，出现了不少拥有隐形球首的豪华邮轮，虽然也有类似于球鼻首的结构，但作用机理与传统球首并不同。

2）在保持主尺度和排水量不变的情况下，本文建立的隐形球首船型相较于常规球首船型而言，兴波阻力更小，总阻力在20～23 kn区间内稍大，其余航速段更小。

本文通过在常规球首船型基础上拉长水线的方式建立了隐形球首船型，外形接近于AIDA prima号邮轮，这可能并不是最优的设计思路，仅作为参考，该船型仍有很大的设计和优化空间。