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1 船舶流体力学先进技术概述船舶流体力学是船舶科学的基础技术和船舶设计的共性技术,即船舶的基础共性技术,也是船型技术的核心内容。作为创新的源泉和发展的动力,船舶流体力学先进技术始终在引领船型及其设计开发的创新发展中起着非常重要的作用。船舶流体力学由船舶水静力学(即船舶静浮性能,包括浮性、完整稳性、破损稳性等)和船舶水动力学(即船舶航行性能, 包括快速性、耐波性、操纵性、水动力激振、水动力噪声等)组成,船舶静浮性能和航行性能可合并称为船舶性能。船舶流体力学先进技术即指船舶性能先进技术。具体讲,船舶性能先进技术,是指那些在船舶设计和新船型开发中,为确保船型具有优秀的船舶性能所必需研究解决的船舶性能预报和优化技术以及新概念、新方法和新创造。船舶性能先进技术的重要作用和意义在于:为船型设计和开发提供快速化、精细化、数字化、实用化的先进设计开发技术和工具性软件;为提升船舶产品的技术经济性能、推进产品升级换代提供优秀船型和持续发展的原动力;为新船型(含船体、推进器、操纵装置、各种附体等)的研发提供新思想、新原理和新理念。由此可见,它是船舶研发设计的关键,是船舶技术、经济、安全和绿色环保等性能的重要保证,是船舶国际竞争力的核心内容,也是船舶升级换代和可持续发展的推进器,一句话,是我国成为世界造船大国和强国的必要条件。
2 国外基本情况国外先进造船国家始终不渝地致力于船舶性能先进技术的开发和应用,使船舶设计水平不断提高, 船舶技术性能不断改善,新型船舶不断涌现。其主要发展概况可简要归纳如下: 1)大力并持续发展船舶性能数据库,以此作为船型开发和优化设计的基础。在造船技术先进的国家中,瑞典SSPA已建成包含6 000~7 000艘民船资料的性能数据库,荷兰MARIN至今已拥有包括8 000 余艘船舶资料的庞大数据库。这些数据库存贮船型几何特性、静浮性能和航行性能等方面的大量数据 (含公式、图表),并采用了先进的计算机软硬件技术,使数据库功能日趋完善,极大地提高了船舶设计水平和设计速度。 2)十分重视船舶性能的综合优化设计技术,并开发出图形功能强、集成化程度高的综合优化软件系统。它的应用显著缩短了船舶设计周期,提高了设计质量和产品性能,大大增强了市场竞争力。比较著名的综合优化软件系统,如荷兰的HOSDES,MARDES, FDS和RAPID,芬兰的NAPA,瑞典的SHIPFLOW,美国的IDEAS和FASTSHIP,等。这些软件目前已发展到吸收计算流体力学的成果来提高精度水平和增加功能,‘3E’型超大型油船、万箱以上级超大型集装箱船、新型豪华游船、超高速复合型高性能船等优良新船型便是应用这一新技术的成果。
3)计算流体力学(CFD)技术进展迅速,许多理论方法已用于船舶设计。CFD技术中的势流理论发展得相当成熟,已经成为快速性、耐波性、操纵性设计计算的有力工具,尤其是一直被视为难题的非线性兴波理论已达到实用阶段,例如荷兰MARIN开发的非线性兴波理论计算软件RAPID已成功地解决了兴波阻力计算和船型优化正逆两方面的问题,取得很好的效果。全粘流计算(RANS方法)虽已显示良好效果和诱人前景,但目前在湍流模式的适用性、不确定度分析、高雷诺数流动、自由面流动等方面尚存在不少困难需克服,距离应用于船舶的准确定量设计这一目标还有一定差距。4)为了提高船舶的舒适性,降噪减振技术的开发和应用仍然是当今船舶设计的重点课题。治理噪声和振动,除了机械、结构方面的因素之外,主要从水动力方面入手,应用低激振螺旋桨(如大侧斜螺旋桨、端板螺旋桨等)、新型吊舱式推进装置以削弱激振力和水动力噪声,是当前世界上行之有效的技术措施。 5)高性能船以其优异性能和特殊功能日益受到世界关注,发展神速,应用广泛。高性能船种类繁多, 几乎是每隔10年便至少有一种新型高性能船问世: 20世纪40年代是水翼船; 50年代是气垫船; 60年代是地效翼船; 70年代是高速双体船和小水线面双体船; 80年代是高速穿浪双体船; 90年代和21世纪初则是代表未来发展方向的多体船和复合型高性能船。如此快的创新速度在其他交通运输工具中也不多见。多体船是近代出现的由3个或5个船体(称片体)构成的新船型,现已成为高性能船研究开发的热点。2004年投入营运的西班牙渡船公司Fred Olsen 的客货三体船“Benchijigua Express”号是三体船推广应用的成功实例。
