1、目的及意义

1.1目的

本次毕业设计的课题为设计一艘航行于沿海遮蔽航区的350客位的双体旅游客船，对其进行型线设计和阻力性能数值计算。该船航行于山东省胶州湾附近海域的青岛至崂山之间航线，用于乘客休闲、游览。

1.2意义

随着旅游业的蓬勃发展，水上旅游越来越受到人们的追捧。青岛是首批中国优秀旅游城市，是著名的海滨旅游胜地，有着丰富的旅游资源。青岛作为海滨丘陵城市，依山傍海，风景秀丽。红瓦绿树、碧海蓝天的城市风貌，蜿蜒曲折的海岸线，风格迥异的“万国建筑”，“海上名山第一”的崂山国家名胜区，使青岛成为海内外知名风景区和旅游度假、休闲观光、商务会展目的地。据相关资料统计，2018年青岛全年接待游客超过1亿人次，旅游消费总额突破1900亿元，旅游业正逐渐成为青岛经济发展的支柱产业。

胶州湾丰富的旅游资源和得天独厚的地理优势为其开发当地的旅游业创造了极大的优势。海洋旅游休闲是胶州湾的重要品牌。由于胶州湾大桥和海底隧道的开通，胶州湾在轮渡逐渐被桥隧取代的趋势下，如何开发海洋资源，如何利用海洋创造经济价值？水上旅游无疑是解决这一问题的有效手段。最近几年，青岛轮渡公司加快转型发展海上旅游，开发新的旅游航线和海上旅游产品。在青黄轮渡逐渐成为海上旅游热线的同时，青岛轮渡公司也在顺势精心打造胶州湾海上观光精品旅游航线。旅游客船除了能满足大众的休闲需求，还能满足高消费人群的更高层次的享受以及涉外、商务洽谈等需求。目前航行于胶州湾的旅游观光船为青岛轮渡公司之前的轮渡鲁胶渡10号改装而来的蓝海明珠号游轮和自主设计建造的蓝海珍珠号游轮，这两船被用于海上观光。随着青岛海上旅游业的快速发展，迫切需要更多性能优良、舒适高档的客船、游轮等供游客在胶州湾及周边海域观光、游览。

1.3国内外研究现状分析

(1) 双体客船

近年来双体船变得非常流行，越来越多的双体船占据了民用和军用船舶市场。双体船是一种高性能排水型船，它由两个相同的片体和一个连接桥所组成，双体船与常规的单体船相比具有明显的性能优势，甲板面积大、兴波小、稳性好、操纵性好、横摇周期短、不沉性等^[1]，所以双体船一直都是被研究的热点。2011年，珠海江龙船舶制造有限公司与天津某旅游公司签订21.6m双体客船建造合同，型长21.60m，型宽5.55m，型深2.18m，航速15kn，乘客96人。2012年，英辉南方造船有限公司与深圳市鹏星船务有限公司签订了建造两艘40m铝合金高速双体客船的合同，船长40.0m、总宽9.3m、型深3.4m、设计吃水1.2m，载客199人，设计航速31.5kn。2013年，Gladding-Hearn造船厂为波士顿海湾国家邮轮公司建造的1艘150客位高速双体客船交付，船长98ft，船宽29.5ft，最高航速为30kn。2017年，Metal Shark美国造船厂向Entertainment Cruises下属Potomac Riverboat公司交付了2艘高速铝制双体客船，船长88ft，设计可运输149名乘客；在同年9月份，Metal Shark造船厂还被客船运营商Hornblower公司选中，建造5艘高速铝制双体船，包括4艘长97ft、载客350人客船和1艘长85ft、载客150人的客船。2018年，江龙船艇与珠海永航运输有限公司签订32m双体旅游客船建造合同。次日，该公司又与台山川航船务有限公司成功签约198客位双体高速客船订单。32m双体旅游客船总长32.15m，型宽7.6m，设计航速14.5kn，乘客116人。该船采用钢铝复合结构，双机、双桨推进。198客位双体高速客船总长29.65m，型宽7.6m，最大航速19kn，乘客198人。同年，武汉理工船舶股份有限公司新签200客位全铝合金双体客船，主船体为双体、单底、单甲板，主船体及上层建筑采用铝合金材料。现如今往返运营香港-澳门航线的高速双体客船最高速度可以达到42kn，载客400多人，长47.5m，宽11-12m，吃水1.8m，排水量700t。

(2) 船舶阻力性能计算

数值模拟CFD方法目前广泛运用于计算船舶阻力，相比于模型试验，其成本低、速度快，已被大多数学者认可。双体船船型的设计关键在于其水动力性能的研究，而阻力性能的预报是水动力性能研究的重要内容。对于双体船阻力性能的预报，国内外学者在近几年做出了许多研究，得到了大量可利用的实船和船模数据。汪诚仪^[2]总结了船型、间距比、排水量长度系数对双体船阻力的影响规律。邹早建^[3]等开发了基于三维Rankine奇点一阶面元法的SWATH阻力预报系统，以传统阻力估算方法计算粘性阻力。陈京普^[4]等运用改进的Dawson法开发了可用于双体、三体船兴波阻力的数值预报程序，通过计算一条小水线面双体船和一条三体船的兴波阻力，验证了该程序在一定范围内能较合理地预报双体船、三体船的兴波阻力。陶晖^[5]等应用基于面元法的SHIPFLOW软件对系列小水线面双体船的兴波阻力进行计算。周翀剑^[6]等利用三种计算软件FLUENT、STAR-CCM 、SHIPFLOW对一艘双体船在多个航速，特别是在高航速下的阻力进行了模拟计算，通过将计算结果与模型试验结果对比，表明该论文提出的基于CFD的阻力预报方法综合考虑了自由表面的非线性、水的粘性及复杂的船体曲面，能比较精确地估算高速双体船的总阻力。付丽宁^[7]等基于CFD方法，建立数值水池，对双体船进行了船舶静水阻力计算及船型优化。端木玉^[8]等Wigley船型为研究对象，验证不同参数对波浪增阻的影响，发现在一定的范围内片体间距越小，片体间干扰作用对阻力性能的不利影响越明显。邓芳^[9]等研究了基于船体阻力性能优化的双体船数字化设计方法。林鹏^[10] 基于重叠网格技术，采用RANS方法，对2500T级小水线面双体船（带首尾鳍）的阻力与纵向航态进行了数值计算，分析了航行姿态对小水线面双体船阻力性能的影响。H.B.Moraes^[11]等运用细船体理论和SHIPFLOW研究了2种不同型式高速双体船兴波阻力随片体间距变化的规律。A.Souto-Iglesias^[12]等通过CFD改变双体船片体间距研究了双体船的阻力、横倾的影响规律。Stefano Brizzolara 和 Dario Bruzzone^[13]采用自主开发的线性数值方法对小水线面单体船潜体的兴波阻力与总阻力进行了预报。Andrea Farkas^[14]等对S60双体船和S60单体船体周围流场进行了数值研究，并对干扰现象进行了研究，结果表明发现单体船体的形状系数与片体相同的双体船的形状系数不同，并发现双体船的形状因子与片体的分离度有关，最后着重介绍了粘流CFD在双体船初步设计中的应用。Wei He^[15]等对双体船各片体产生的波浪间的干涉现象进行数值研究，得到傅汝德数和片体分离距离对阻力、下沉和纵倾的影响。Ebrahimi.A^[16]等本文对非平行片体双体船的总阻力进行了实验研究和数值计算，结果表明，非平行片体在傅汝德数小于0.8时总阻力增大，在傅汝德数大于0.8时总阻力减小。

可见，在双体船阻力的计算中CFD技术已得到越来越多的应用。而高速双体船不仅较一般船舶航速要髙，兴波阻力成份比重较大，同时两个片体之间存在着相互影响，所以阻力估算与普通的单体船有着较大的差异。采用CFD计算双体客船的阻力时，需要重点考虑这方面的影响，选择合适的数值方法进行计算。

2、基本内容和技术方案

2.1基本内容

(1) 主要要素的确定

350客位双体客船为布置地位型船，其主尺度及船型要素主要取决于主体内

及上甲板以上的布置所需位置。因此，一般从布置上所需的地位入手，根据设计任务书的要求初步确定船舶主尺度,再进行浮性、稳性、快速性等性能的校核，优化初步确定的主尺度，反复进行，直到确定合理的主尺度和船型参素。

(2) 主机型号与功率的选定

根据设计任务书中设计船的航区特点，确定设计船的服务航速和排水量后，参考母型船的排水量、航速和主机功率，再选择合适功率和规格的主机。

(3) 型线设计及静水力计算，绘制型线图、静水力曲线图及邦金曲线

采用母型船改造法。根据设计船的需要，选择一艘优秀的、主要要素与设计船较为接近的实船作为母型船进行型线改造，绘制型线图。再运用商业软件建立设计船体三维模型，计算船舶稳性，完成静力学计算，绘制静水力曲线图、邦金曲线等。

(4) 阻力性能计算

先利用CFD软件计算一条与设计船相近的标模的阻力性能，验证计算方法合理后，开展设计船阻力性能数值计算。分析阻力计算结果，得出设计船不同片体间距对阻力性能的影响规律。

2.2技术方案

(1) 主要要素的确定

分析任务书，确定设计的目标船型，根据已知的母型船或同类型船的统计规律确定船型及总体布置，粗略估算主要要素的第一次近似值。

再根据第一次近似值计算快速性、稳性、耐波性、操纵性等技术性能，根据核算结果，对第一次近似值进行调整，得出第二次近似的主要船型参数。

根据第二次确定的主要船型参数绘制型线草图、总布置草图、船中剖面图等，并选定主机型号。然后根据这些草图及相关参考资料，对船舶主要技术性能进一步核算，并根据核算结果调整主要船型参数。

根据设计船的结构和设计特点，利用求解最佳方案的方法，进行多方案的计算比较，选取最佳的设计方案。

(2) 主机型号与功率的选定

初步设计确定设计船的服务航速和排水量后，根据经验公式粗步估算设计船的快速性，再计算得到的设计船需要的主机功率，选定主机型号。

(3) 型线设计及静水力计算，绘制型线图、静水力曲线图及邦金曲线

在设计船的主尺度确定以后，参考母型船，确定横剖面面积曲线，设计水线和甲板边线，横剖线形状以及侧面轮廓线这些要素，进行型线设计。型线设计完后绘制型线图，型线图绘制完成后，将各站型值量出，运用Rhino商用软件完成设计船体三维建模工作，再计算静水力。根据计算结果，绘制静水力曲线图、邦金曲线图、稳性插值曲线等。

(4) 阻力性能计算

在进行设计船阻力性能计算工作前，首先利用CFD商业软件STAR-CCM 计算一条与设计船相近的标模的阻力性能。采用基于RANS的湍流粘性理论，选择合适的湍流模型、网格划分以及壁面条件。并且由于船航速较高，考虑自由液面的影响。最后将计算结果与模型试验结果对比，验证数值方法的合理性。

完成数值方法验证工作后，使用CFD商业软件STAR-CCM ，在考虑自由面的情况下，完成设计船体模型及计算域的网格划分工作，选择合适的湍流模型及壁面条件，计算设计船总阻力。最后分析阻力计算结果，得出设计船不同片体间距对阻力性能的影响规律。