1.1 目的

随着我国水上旅游产业的发展，作为水上旅游重要载体的客船得到了广泛的使用。而双体客船由于其良好的居住条件和宽敞的甲板面积，受到了越来越多的重视。

本文主要根据总布置、船体结构的合理性及工艺性、外观造型等要求，对370客位双体客船的型线进行设计，并进行相应的校核工作，以保证其优良的航海性能。

完成型线设计后，本文将对该客船进行三维建模，利用CFD软件对客船航行过程中的阻力进行计算，对其阻力性能做出预报。

1.2 意义

在客船的设计过程中，型线设计是一项重要内容，这是因为型线设计对船舶性能有着十分重要的影响，与船舶的快速性、操纵性、稳性、耐波性等息息相关，同时也直接关系到船舶建造的工艺性^[1][2]。其中，型线与船舶的流体动力性能关系密切，线型的优化可以减小船舶在航行过程中的阻力以提高阻力性能，改善尾部流场从而提高推进效率，进而提高船舶的快速性能。而且，型线的改变还可以改善船舶的稳性，保证船舶在营运过程中的安全性。另外，通过对不必要复杂曲面的修改，还可以减少建造工时，降低生产成本，提高施工质量。

现阶段，船模实验依然是对船舶航行过程中的阻力进行预报的主要方法。随着基础理论的完善与计算机性能的提升，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术在船舶领域得到了广泛的应用，利用CFD方法进行航行过程中的阻力预报已经有了越来越多的实践。Akbarzadeh(2015)^[11]针对1.5m长的系列60船模进行了水池实验和CFD仿真，总阻力系数的平均误差在8%左右。Eslamdoost(2014)^[12]对一艘2.3m长的滑行艇在Fr=0.2-1.6的范围内进行了阻力预报，误差在4%以内。Haase(2016)^[13]对以较低速度航行(Fr=0.2-0.45)的三体船模型进行了阻力的CFD计算，结果显示4.3m的高速三体船模型阻力低估了2%-8%，2.5m的中速双体船模型阻力的低估小于4%。除计算船模的阻力外，CFD方法还可用于直接确定实尺度船舶的阻力，为桨、舵的选型提供参考。Ponkratovamp;Zegos(2015)^[14]对一艘方形系数为0.8，带有螺旋桨和上层建筑的稳定航行的船舶进行了CFD仿真，将所得结果与海试的结果进行了比较，结果表明主机功率的误差在4%以内。Mikkelsen amp;Steffensen(2016)^[15]使用CFD方法预测了一艘62000吨的散货船在航速为14.5kn时的主机功率，与海试结果相比，误差为2%。CFD也用来预测阻力成分。Kinaci(2015)^[16]使用单相流双体模拟和多相流模拟对KCS船进行了模拟，二者的阻力差异可以归因于兴波阻力。Park(2015)将形状因子分为了摩擦阻力和粘压阻力成分，使用双体方法研究了KVLCC2与DTMB 5415船型的形状因子。

与船模实验相比，利用CFD方法进行快速性预报同样可以提供较高的精度，而且，Stern(2015)amp;Kleinsorge(2016)^[17]提出，在工程实际中，在基于仿真的阶段使用CFD，可以节约生产时间。由此可见，运用CFD方法进行快速性预报可以为船舶的设计带来极大的便利，为船舶性能的改善提供可能。

1.1 基本内容及目标

1.1.1 航区的确定

所设计客船航行于舟山群岛一带, 自普陀山客运码头出发，绕岛一周至朱家尖蜈蚣峙码头。舟山群岛是中国第一大群岛，位于浙江省东北部，分布海域面积22000平方公里，陆域面积1371平方公里，其中以一万平方公里以上的岛屿58个，占该群岛总面积的96.9%。舟山群岛四面环海，属亚热带季风性气候，冬暖夏凉，温和湿润，光照充足。这一航区属于沿海遮蔽航区，舟山群岛风光秀丽，气候宜人，拥有两个国家海上一级风景区，旅游产业发达。在这一航区布置双体客船用于旅游观光，可以为旅客的游览带来良好的体验，以此促进当地旅游业的发展。

1.1.2 主要要素的确定

所设计船舶为双体客船，载客人数为370人，航区为沿海遮蔽航区，根据这些要求，参考同类型的型船资料，初步确定主要要素的范围，包括主尺度和尺度比参数，即船长、型宽、吃水、方形系数等。主尺度可以在分析型船资料的基础上运用一些主尺度估算公式，尺度比参数也可以结合相关统计资料就行估算。

1.1.3 主机选型

主机型号与船舶主尺度、船型系数、服务航速均密切相关。在结合船舶设计要求确定服务航速，并估算出船舶主要要素后，可以根据经验公式确定主机功率，在综合考虑油耗等因素后确定主机型号。

1.1.4 型线设计

型线设计的结果是以型线图来表达船体外形的几何形状。控制船体型线的要素包括横剖面面积曲线、设计水线和甲板边线、横剖线形状及侧面轮廓线。在选好上述要素后生成型线就可以得到有效的控制。

1.1.5 静水力计算

静水力曲线图全面表达了船舶在静止正浮状态下浮性和稳性要素随吃水而变化的规律。图中一般包括下列类型的曲线：型排水体积、总排水体积、总排水量、浮心纵向坐标、浮心垂向坐标、水线面面积、漂心纵向坐标、每厘米吃水吨数、横稳心半径、纵稳心半径、每厘米纵倾力矩、水线面系数、中横剖面系数、方形系数、棱形系数。

1.1.6 设计船阻力的数值计算

型线设计完成后，运用三维建模软件得到客船的模型。而后运用CFD方法对客船的快速性进行预报，将模型导入STAR CCM ，对船体进行网格划分，而后导入求解器，计算不同航速下的阻力，将最终结果进行分析与比较。

1.2 技术方案及措施

1.2.1 主要要素确定

在确定船舶的主要要素时，必须全面地考虑船舶的各项技术性能。对于布置地位型船，船长与船宽影响较大，其次是方形系数由于各种因素对主尺度选择的影响是不同的，而且在具体确定某一组主要要素前难以对各项性能和各种指标做出定量的分析。所以选择主要要素必须有一个合理的步骤和科学的方法，通过一个反复迭代、逐步近似的过程来完成。

首先，根据所设计双体客船的特点，初步确定主尺度的范围，通过分析相近的型船资料，得出初步的主要要素。

而后，进行主尺度的第一次近似。客船为布置地位型船，根据布置地位型船的特点及型船资料进行近似。

第一次近似后，对于客船，首先要校核布置地位，然后校核重力与浮力。

在对快速性、完整稳性、横摇周期及最小干舷进行校核后，参考型船资料对耐波性，操纵性以及大倾角稳性等做出评估。由于主尺度对各项性能的影响各不相同，需要综合考虑各项性能，再对主尺度作出调整。

对于初步选择的主尺度方案，在合理和可行的基础上对不同的方案进行评估，考虑船舶的技术性能和经济指标，得出最优的方案。

1.2.2 主机选型

在主要要素确定后，根据客船的航行特点及定位确定服务航速，然后，根据相关型船资料，结合经验公式及相关规范进行主机选型。

1.2.3 型线设计

目前船舶的型线不能完全按照理论方法进行设计，通常根据母型船型线、船模系列实验资料和自由设计法按照船舶的实际情况加以修改与完善而成，难以总结与归纳一定的规律与方法，这是由船舶产品本身的复杂性所决定的。这里采用母型船型线改造法，在母型船的基础上按照实际需求进行修改，完成型线图的绘制。

1.2.4 静水力计算

在得到船体型线后，使用三维建模软件得到船体模型，将模型导入Maxsurf得出静水力曲线。

1.2.5 设计船阻力的数值计算

首先，对目标船舶的模型进行处理，避免船体表面的不光顺、面与面之间的缝隙对后续计算造成影响。

在对目标船舶进行计算前，为验证数值方法的正确性，取一条与目标船型相似的标模，对其阻力进行计算。

将标模导入STAR CCM ，确定计算域，调整参数以划分网格。

网格划分完毕后，导入求解器，设置边界条件，选用适当的湍流模型，对阻力进行计算。

为避免网格数对计算结果的影响，进行网格独立性分析。至少使用三套网格（粗网格，一般网格，精细网格）进行阻力计算，当阻力大小受网格数影响较小时，可认为计算结果已经独立于网格数。

将计算结果与标模的实验结果进行比较，当误差在可接受范围内时，可认为数值方法正确。

将目标船舶的模型导入STAR CCM ，重复上述步骤，计算不同航速下的阻力。

对计算结果进行后处理，总结归纳航速对船体阻力、船体尾部流场等的影响。

流程图如下所示。