0 引　言

近年来，由于我国经济发展的需求和国家政策的重视与支持，特别是为了支撑长江经济带的高质量发展，江海直达船得到了越来越多的关注，其研发设计水平也在不断升级，并取得了显著的进步与成效。特别是线型开发水平也取得了显著发展。

随着江海直达船的研究水平升级，江海直达船的线型开发水平也取得了显著发展。结合计算流体动力学（CFD）开展船舶线型开发已经成为业界的共识，诸多研究成果展示了其有效性^[1]。近年来，国内一些学者针对江海直达船的线型优化开展了相关研究^{[2- 4]}，诸多研究成果也展示了江海直达船的线型开发也取得了一定的进展。

本文结合CFD评估手段，综合考虑快速性能和各种设计布置需求，开发了万吨级江海直达集装箱船线型。从主尺度参数、线型、CFD结果等多个方面，多个角度对比分析了优化线型方案与原始线型方案，形成了满足设计要求的最终优化线型，最后基于优化线型进行了快速性模型试验验证。

1 数值模拟方法

首部线型与兴波阻力密切相关，在优化过程中可采用非线性兴波数值方法对兴波阻力快速评估从而对船体兴波进行快速优化，形成兴波阻力较好的线型方案，在此基础上结合粘性流数值方法进一步的优化船体阻力和自航性能 ^[5-6]。

船舶周围的三维流场是不可压缩流体的黏性流场，可以由以下的雷诺平均的连续性方程和动量守恒方程来描述：

$ \frac{\partial u_i}{\partial x_i} =0，$

(1)

$ \frac{\partial u_i}{\partial t} + \frac{\partial(u_ju)i + \overline{u''_j u''_i}}{\partial x_j} = \overline {R_i} - \frac{1}{\rho } \frac{\partial p}{\partial x_i} + \frac{\partial}{\partial x_j} \left( \nu\left( \frac{\partial u_i}{\partial x_j} + \frac{\partial u_j}{\partial x_i} \right)\right)。$

(2)

式中：x_i为坐标分量；ρ为流体质量密度；u_i为平均速度分量；p为平均流体压力；$\nu $为运动学粘性系数。

2 线型优化及CFD分析 2.1 线型要求

根据市场需求，江海直达集装箱船线型开发设计的要求如下：

1）垂线间长为127.5 m，型宽为22.5m，设计吃水为4.5 m；

2）首部采用直首形式，尾部采用双桨船型；

3）满足总体布置需求和排水量等设计要求，指定功率下设计吃水航速达到13.5 kn。

2.2 线型优化

针对该船的主尺度及船型特点进行线型优化设计，分别从改善兴波阻力、粘压阻力以及推进效率等角度入手对原型的首部线型和尾部线型进行优化，设计了若干个线型方案。为了评估线型优化后能否达到预期的效果，分别利用势流计算原理及粘流计算原理，对原型及优化方案的阻力及自航性能开展了数值计算。

表1为原型和优化线型在设计吃水下的主尺度参数，图1和图2分别为原型和优化线型的尾部和首部线型比较。由图1和图2及表1可知，优化线型的平行中体较原型有所加长，优化线型首部形式改为隐形球首形式，并且优化线型首部在船首18.5站前设计水线附近明显变廋，设计水线下方有明显的隐形球首，其他各站较原型均有所变胖；另外尾部形式由双尾形式改为双尾鳍形式，尾鳍外侧各站均有明显的变廋，这样设计吃水浮心有所前移，由距船中−2.08%L_pp前移至−0.72%L_pp，优化线型和原型湿表面积相差不大。

2.3 CFD计算分析

针对各线型方案，对阻力与自航性能进行评估，数值计算条件列于表2，采用的缩尺比为21，模型速度为1.5155 m/s，对应实船航速为13.5 kn，计算水温为20℃。

表3给出了计算得到的优化线型模型总阻力系数C_t、实船收到功率P_D与原型的比较（其中C_t0为原型总阻力系数，P_D0为原型实船收到功率。从表3可以看出，对于模型总阻力系数，优化线型较原型降低了13%；对于实船收到功率，优化线型较原型降低了14.6%。从优化效果上来看，优化线型较原型在快速性能上有明显的提升。

图3给出了各线型方案的舷侧波形对比。可以看到，优化线型的船首首波峰峰值较原型有明显的下降，船首首波谷峰值相当，船身波形略有变差，但考虑到首波峰峰值下降幅度明显，兴波优化的效果还是相当显著的。这是由于该船实船航速13.5 kn所对应的傅汝德数为0.2左右，兴波阻力占总阻力比重大，优化线型采用了隐形球首形式，可以明显改善船首兴波，从而大幅度减小兴波阻力。

图4和图5分别为各线型方案的船体首部和船体尾部表面压力分布对比，图6为各线型方案的桨盘面伴流分布。可知，优化线型首部的正压区较原型有明显的改善，这是由于首波峰明显改善，虽然优化线型平底线前方出现了更为明显的负压区，但从阻力结果上看其对阻力的大小影响有限；优化线型的船体尾部表面压力分布较原型均匀，这样有利于减少粘压阻力，同时优化线型尾部采用双尾鳍形式，伴流分布更为均匀，有利于提高推进效率。

综合以上对比分析可知，优化线型与原型相比，快速性性能有明显改善。

3 快速性模型试验验证

针对优化线型方案，开展了快速性模型试验验证。根据模型试验结果，对模型对应的实船在深水及良好海况条件下，进行功率及航速预报，图7为设计吃水下实船功率预报曲线，表4为设计吃水下实船航速预报曲线。根据所选用的主机参数CSR 1 412 kW（2台主机），考虑96%的传动效率，10%的海况裕度，当收到功率P_D=1412×2×0.96/1.1=2 464.6 kW时，其航速可达13.55 kn，高于预期目标设计航速13.5 kn。试验结果表明该江海直达集装箱船的线型开发非常成功。

4 结　语

结合CFD评估分析，综合考虑快速性能和设计需求，采用低阻的隐形球首形式和高效的双尾鳍形式，开发了万吨级江海直达集装箱船线型。优化线型与原型相比，模型总阻力系数和实船收到功率分别下降了13%和14.6%，并且舷侧波形首波峰峰值明显降低，船体尾部表面压力和桨盘面伴流分布分布较原型均匀。针对优化线型进行了快速性模型试验，模型试验结果表明，该船在设计吃水指定功率下航速可达到13.55 kn，略高于目标航速，进一步验证了该万吨级江海直达集装箱船线型开发满足设计要求，可为后续开展江海直达集装船线型开发工作提供借鉴与参考。