【专题研究】美国海军舰船的水动力设计与优化简介

一、背景介绍

美国海军水面战中心卡德洛克分部（Carderock Division，Naval Surface Wafare Center，NSWCCD）之前又称“David Taylor船模试验池”（DTMB），它在过去一个世纪是美国海军研究与开发领域内的主要国防机构。20世纪60年代和70年美国海军舰船工程中心（Naval ship engineering center，NAVSEC）——现称“海军海上系统司令部”（Naval sea systems command，NAVSEA）——是美国海军战后大部分舰船项目的设计机构。据了解，DTMB公司是与NAVSEA联系密切的主要试验机构，特别关注船型开发和水动力研究。近些年来，随着美国海军舰船采购战略的改变，造船业界在船舶整个设计过程中承担更大的责任，新的采购战略赋予了造船界提供创新、可生产和造价可承担的设计方案。经过近十年采购战略的实施，NSWCCD不再是美国海军所有新船设计项目的唯一试验机构，但其经验、设计历史、理念仍对目前的海军舰船设计具有十分重要的影响。

本文通过参考水动力相关文献，简介美国海军在一些舰船项目研究中的水动力性能局部的设计与优化，主要分水动力设计优化的应用发展与案例分析两部分进行介绍。此外，考虑到目前CFD等水动力计算软件在新船开发和设计中发挥越来越重要的作用，本文还介绍了目前美国海军正在开发的部分水动力软件以及在高速运输舰项目上的软件应用。

二、美国舰船水动力的局部设计与优化

NSWCCD在短期海上补给项目、中期的海上补给项目T-AKE、高速半滑行船体、LHA（R）Plug Plus以及高速航母等项目的研发中，通过与NAVSEA联合开发获得了一些有价值的船型设计，包括适中的Nabla球首、椭圆球首、pre-swirl banana skeg、producible skeg/中线面尾鳍、和尾压浪板。以下将对美国海军舰船的局部水动力设计进行阐述。

（一）船首水动力设计与优化

1．适中的Nabla球首

（1）概述

从表面上看，美国海军的军辅船（例如T-AKE、T-AO）与民用船舶（集装箱船、豪华旅游船等）在船形上类似，实际上它们之间的船体设计限制条件和操作模式存在极大的不同。美国海军大多数军辅船的持续航速为20~24 kn，但大部分时间的航速不超过16 kn。而且NAVSEA估计所有新建海上补给舰船的操作模式是70%的时间处于设计排水量状态，30%的时间处于压载状态。这种惯例深刻影响NAVSEA对新设计舰船的续航力和全寿命周期的评估，进而影响NAVSEA的决定：若压载工况下的不佳性能会造成能耗高，那么此类设计方案不采纳，例如LHA、CVV、T-AO 187和双尾鳍T-AO。

在过去的十几年中，采购改革使得美国海军所有军辅船的设计和建造均由产业界完成，包括LMSR和T-AKE。在上述项目的评估中，NSWCCD注意到9种船形方案，其中LSMR有6种，T-AKE有3种，其中8种得到了欧洲模型试验的支持。不过，这两型船体的设计方对美国海军设计惯例（速度-时间模式、载荷/压载操作模式）缺乏了解，其设计主要基于现有民船，例如采用豪华旅游船和集装箱船上常见的大尺寸鹅颈（gooseneck）型球首。这种球首设计可能会出现自由表面以上浸没以及可能无法接受的船首波等现象，尤其是在海上补给过程（12~16 kn航速）和近压载状况下。在海上补给时，还会出现的问题包括补给船施加给接收船的大首波。例如T-AKE设计，即便合同已经授予，但最终更改了球首的设计。

2．椭圆球首（Elliptical Bulbous Bows）

（1）概述

椭圆球首并不是一个新概念，美国海军最初采用该型球首的舰船是MARAD预置船（MARAD C7-5-M134a）和LSD 41级登陆舰。这两型舰船采用了球形球首和椭圆球首进行了试验，试验均表明椭圆球首总体性能更优。不过LSD 41最终选择了球形球首，主要因为其建造成本低。但后来的实践证明，选用球形球首并不是一个好方案，因为从整个寿命周期角度看，椭圆球首的成本更低。美国海军首艘采用椭圆球首设计的舰船之一是AE 36舰船，采用近似椭圆横剖面的球首（Nabla细长版），横剖面图见图2。近二十年以来，AE 36凭借其优异的阻力性能成为各类新设计舰船的先驱。

近年来美国海军设计和建造了一些采用椭圆形球首的舰船，如CVN 76航母、两栖攻击舰LHA（R）Plug Plus。它们均在中高速范围内表现出良好或优异的性能，在低速范围内的性能损失较小。

（二）船尾水动力设计与优化

1．pre-swirl banana skeg

1994年，NSWCCD受命评估短期战略海上补给项目中所有船厂的船形方案，该项目后变更为大中型滚装船（LMSR）。船厂共提供了7种设计方案，其中2种方案采用双尾鳍。为评估各种船形的性能，NSWCCD修改了海军的要点设计（point design）要求，特别是评估双尾鳍而非最初的轴系与轴架结构。其中一型最佳设计是pre-swirl banana skeg（model 5490-4），采用了曲线横剖面，这样尾鳍可为螺旋桨产生一个预旋流体，这种流体不仅可以改善内旋螺旋桨的效率，相比于典型双尾鳍结构以及常规轴系和轴架结构，还可以明显减小附体阻力。而且，pre-swirl banana skeg较其他双尾鳍结构具有最小的阻力，原因是预旋流体能够减小与尾鳍相连的边界层厚度。pre-swirl banana skeg线型见图3。该型船的水线长为282.54 m，宽32.15 m，船深10.55 m，排水量为67748 t，方形系数为0.688，棱形系数为0.702，横剖面系数为0.980，纵向浮心/水线长为0.532。

事实证明，pre-swirl banana twin-skeg设计明显优于其他设计方案。Model 5490-4方案显示出极好的性能，远好于海军的要点设计要求（Model 5490），在航速为20 kn时单位排水量的功率需求减少17%，航速为24 kn时减少10%。此外，还可以通过选择合适伴流的螺旋桨设计而降低2%的能耗。

2．producible skeg（减轻伴流中线面尾鳍）

（1）概述

在进行中期海上补给设计项目时，NSWCCD负责一型民用可行的海上补给设计创新概念的研发。基准船体定为单桨设计。该项目设计和试验了多种球首、船尾、中线面尾鳍、双尾鳍和推进装置，其中部分最终方案还进行了伴流测量试验，这一点非常重要，因为螺旋桨产生的振动会形成空泡、螺旋桨腐蚀以及船舶尾鳍振动问题。美国海军近期建造的单桨船舶之一是AO-177，振动问题的最终解决消耗了不低的成本，利用螺旋桨上方的纵向鳍改善伴流场和进行螺旋桨重新设计才得以解决问题。

3．尾压浪板（stern flap/step flap）

（1）概述

尾压浪板的作用是修正船倾，降低功率需求，一直应用在小艇领域，后来Admiralty海洋技术机构（AMTE）将尾压浪板引入大排水量船体——护卫舰领域，20世纪90年代初尾压浪板应用更加广泛，从高速巡逻艇到大型低速辅助舰/两栖舰艇。美国海军自1989年开始首次在舰艇上安装尾压浪板，截至2012年，美国海军和海岸警卫队共有14级舰艇安装了约180块尾压浪板，服役总年限超过1300年，共计节省燃料费用7.95亿美元，其中7个级别的舰艇进行了全尺度试验，安装在作战舰艇、轻型护卫舰、巡逻船等上的全尺度尾压浪板的试验表明，船舶性能明显改善。对于两栖舰艇而言，共有13块尾压浪板安装在6级两栖舰艇上，其中3个级别的舰艇为新建，另外3个级别为改装，节省燃料费用超过1100万美元。详见表1。    

尾压浪板可以减少推进功率需求和废气排放，节省大量燃油成本，增加舰船续航力和最大航速。可以在船舶动力需求与发动机操作范围达到平衡，这可以增加发动机检修的间隔时间，延长机器设备的使用寿命。还可以降低螺旋桨负载、空泡、振动和噪声等问题。如果尾压浪板应用在新船上，尾压浪板还可以增大速度、续航力、装载能力，减少推进系统所需功率和尺寸，降低采购成本。

但是，这种节能效果并不完全适用于整个速度范围，水池试验表明：傅汝德数较低时，尾压浪板的船模数据不佳，当尾板或尾压浪板浸没深度增大时，功率损失增加。2005年研究表明，尾压浪板在低速时阻力性能不佳归因于其垂向位置。船模试验记录了低速时的流体数据，流线谱表明与无尾压浪板条件相比，浸没较深的尾压浪板常会增加与船轴相反的涡系。NSWCCD得出结论：减少或消除涡系的最优办法是重新布置尾压浪板的位置，这样尾压浪板可以成为阻止涡系形成的端板，这种想法类似于飞机上常用的减少翼尖涡流的端板或翼梢小翼，这样翼尖的有效面积或升阻比会增加。

NSWCCD将这种位置改变的尾压浪板称为“step flap”，其垂向位置与标准的尾压浪板不同，后者一般与船尾端部保持平齐。而Step flap的有效位置位于作业水线和船尾最下部之间的中间区域，这种布置基于大量船模试验，包括半滑行船体、大型航母、低速两栖舰等。

三、水动力分析工具

水动力的分析包括主船体、附体和螺旋桨的优化，具体包括针对阻力的船形尺度优化、船首形状参数的优化、船首或船尾侧推形状的优化、推进附体的形状优化等。水动力优化既可以通过船模试验进行分析，也可以利用水动力计算软件等进行模拟，例如20世纪80年代末NSWCCD在优化驱逐舰的尾楔的水动力设计时，尾楔设计组合使用了船模试验和XYZFS势流计算程序预报，最终设计表明新尾鳍既降低了低速时一般尾楔产生的功率损失，最大航速时可减少6%的收到功率，并且每年可减少约2%的燃油消耗。

据了解，过去三十多年，CFD在船舶水动力领域的应用取得了诸多发展与进步，从最初解决动量方程等式、边界层、半抛物线雷诺平均（RANS）方程发展到全雷诺平均方程、六自由度（6DOF）运动预报以及运动控制器。目前船舶水动力学计算的最新研究方向是在百亿网格上对多尺度、多物质和多相位的船舶流体大涡模拟进行百亿亿次的计算。船舶水动力计算方法快速发展，包括建模、数值方法、高性能计算方法，这些计算方法的应用模型包括水动力、气流和两相流体求解器、紊流模型、界面模型、运动求解器、推进模型、海况或波浪模型等。水动力计算技术和方法的充分结合，促进了船舶水动力学在实船上的应用。

四、思 考

由于海军舰船的要求与限制条件远高于民船，除考虑寿命周期成本以外，其他方面比如螺旋桨振动和航向稳定性有时可能也属于优先考虑因素，一些常规的首位形状可以不适用。因此有必要开发新的船形，这样就涉及到船舶水动力设计与优化，鉴于上述可知：

（1）水动力优化工具（软件）对于水动力研究具有非常重要的作用和影响，为更好地开展水动力研究，建议国家和大型造船集团进一步开展和完善船舶核心和主流设计软件的自主开发与技术引进的长期战略规划，加强与国际国内软件企业的合作，争取短期内实现软件的二次开发应用，在长期阶段实现核心软件的国际合作开发和自主开发。

（2）从企业和研究机构的角度来看，建议研究机构更加注重水动力等基础性能研究和工程应用，健全技术创新机制，培育具有国际视野和涉足前沿技术的高端技术人才。注重前沿技术、理论方法的跟踪与研究。

此外，根据美国海军的新船型的研发历程可知，企业加强与海军研发机构的联系有助于技术的创新，促进船舶水动力发展。

（3）从具体的产品类型，短期内可以选择对船型局部进行优化，包括首尾等，选择某一类或几类舰型做试验，积累经验后再判断是否适合推广。将理论分析与试验分析组合在一起，以便能够提高水动力设计的精准度。

本文来自：MARIC情报站