0 引 言

出于运营成本的考虑，船东越来越关注船舶的节能环保。为了设计建造出满足船舶能效设计指数(energy efficiency design index, EEDI)的船型，船舶行业掀起了“绿色船舶”风潮。节能船型，从本质上说主要就是降低船舶阻力，提高推进效率，从而达到降低燃油消耗的目的。传统的船型优化是基于船舶静水阻力最低，以静水中的快速性能来衡量船型的优劣。实际上，船舶在其营运的绝大部分时间里都是在风浪环境下航行，降低船舶波浪增阻已成为船舶节能的重要技术手段[1]，波浪中性能优良的船型越来越获得市场青睐。

求解船舶波浪增阻的途径主要有数值计算和模型试验2种。模型试验方法因存在成本高、周期长、重复性难以保证等缺点，故在船型初始设计阶段最常用的还是数值计算方法。波浪增阻数值理论经过70多年的发展，形成了以经验理论、势流理论、粘流理论等为代表的数值计算方法体系。在众多数值计算方法中，二维切片方法[2]以及基于切片理论的数值方法[3]被广泛应用于船舶波浪增阻预报。船舶波浪增阻值与船型密切相关，因此能够精确捕捉船型特征的波浪增阻计算方法成为船型优化设计的首选。王艳霞等[4]选取合适的波浪增阻数值计算方法，分析了艏部水线形状对波浪增阻的影响，为船型在风浪中的性能优化设计提供了一定的参考。李建鹏等[5]基于二维切片方法计算了某散货船不同航速下的波浪增阻值，并初步研究了艏部线型对波浪增阻的影响。张宝吉[6]提出了一种以静水阻力和波浪增阻最小为目标的多目标船型优化方法，波浪增阻采用丸尾孟公式进行计算。许贺等[7]以某万箱级集装箱船为研究对象，基于二维切片理论开展多载况、多浮态下波浪增阻数值计算分析，进一步验证了二维切片理论的工程实用性。在工程实际中，如何准确选取具有一定数值精度且计算效率高的波浪增阻数值计算方法来快速获取评估结果是船型综合优化设计的关键，这就需要对各种波浪增阻数值计算方法的工程适用性进行对比分析。

本文拟以某散货船为研究对象，开展兼顾静水和波浪中阻力性能的船型优化设计，对原型和改型的静水阻力及波浪增阻进行数值评估，其中静水阻力计算基于成熟的商用软件STAR-CCM+，波浪增阻计算则采用ISO [8]推荐的简化方法、经验方法以及自主编程开发的二维切片方法，结合改型的波浪增阻模型试验结果对比分析不同波浪增阻方法的计算精度及工程适用性。

1 波浪增阻计算方法

1.1 简化计算方法

IMO[8]提出了一种简化的波浪增阻计算方法，该方法主要用于实船航行试验阶段。实船试航时的航速测试是在具有严格波高限制的低等级海况至中等级海况中实施的，在顶浪时，波浪遭遇频率很高。在此情况下，认为由波浪诱导的船体运动（主要是升沉和纵摇运动）对阻力的影响可以忽略，并认为波浪增阻主要由船体水线处的波浪反射引起。基于上述假设，得到如下简化的波浪增阻计算公式：

图 1 水线最大船宽95%处至船艏距离示意图Fig. 1 Sketch of distance from 95% of maximum width of ship waterline to bow

波浪增阻简化计算公式使用时需满足以下限制条件：

1） 有义波高H1/3≤2.25(Lpp/100)1/2，其中，Lpp为垂线间长；

1.2 经验计算方法

IMO[8]同时提出了一种计算船舶波浪增阻的经验方法，该方法通过使用船舶主尺度、航速等参数来近似表达船舶在迎浪规则波中的波浪增阻传递函数。波浪增阻传递函数与船舶主尺度和航速的关系如图2所示。图中：Rwave为规则波中波浪增阻；f (·)为波浪增阻传递函数；Fr为傅汝德数； CB为方形系数。

波浪增阻经验计算公式使用时需满足以下条件：

1） 垂线间长：Lpp＞75 m；

2） 长宽比：4.0＜Lpp/B＜9.0；

3） 宽度吃水比：2.2＜B/T＜9.0；

4） 傅汝德数：0.10＜Fr＜0.30；

5） 方形系数：0.50＜CB＜0.90；

6） 浪向为顶浪（浪向角在0°～±45°之间）。

1.3 理论计算方法

自主编程开发的波浪增阻计算方法基于二维切片理论。根据该理论，波浪中船舶增阻主要来源于2个方面：波浪中船舶运动产生的增阻，又称

2 船型综合优化设计与波浪增阻计算方法对比分析

2.1 研究对象与优化设计思路

针对某散货船原型，以改善静水阻力和波浪增阻为优化目标，优化设计若干线型方案，经过数值计算及比较分析，确定最终改型。目标船原型和改型在研究的吃水状态下的船型参数如表1所示，线型对比如图3所示。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0107/460.html

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