摘 要

双体船作为一种高性能船，近年来得到了越来越多的关注。相比于单体船，双体船具有良好的稳性、快速性、耐波性、操纵性等性能，甲板面积大，上层建筑发达，在军用领域与民用领域均得到了广泛的应用。在客船市场，双体船的上述优良性能为游客带来舒适的观光体验，深受广大乘客与船东的青睐。由此可见，对双体船设计与性能的研究，可以更好地指导双体船的制造与使用，带来可观的经济效益。

本文的主要工作包括双体船的型线设计与阻力性能计算。本文采用母型船改造法设计了船体型线，并建立了三维模型，而后采用计算流体力学（CFD）方法对所设计双体船的阻力性能进行了计算。具体如下。

型线设计方面，按照设计任务书的要求，依据航线与相似船型的调研结果，以一艘300客位双体客船为母型船，对船舶的主要要素进行了确定。而后，采用母型船改造法，得到了所设计船的横剖面面积曲线、半宽水线、横剖线、纵剖线，并依据型线进行了三维建模和静水力与稳性计算。阻力性能计算方面，首先对Wigley单体船与双体船的阻力进行了计算，并与实验数据比对，验证了数值方法的正确性。而后，对所设计双体船片体进行了单体船与双体船配置下的计算，对片体间干扰效应对流场的影响进行了探究。为深入研究片体间的干扰效应对阻力性能的影响，本文改变所设计双体船的航速与片体间距比，探讨了不同航速与片体间距比下阻力系数、船体周围速度场、船体表面压力分布等的变化。

计算结果表明，所设计双体船在设计航速附近，片体间发生了不利干扰，总阻力系数随航速增大而增大。所选取的片体间距比避开了设计航速下总阻力系数的峰值，对双体船的阻力性能有利。

关键词：双体船；型线设计；阻力性能；计算流体力学；干扰效应

Abstract

As one type of high performance vehicles, the catamaran has drawn more and more attentions in recent years. Compared with the monohull, the catamaran has more excellent performance with respect to stability, speed and resistance, sea-keeping and manoeuvrability, broad deck area and developed superstructure, which enable such hulls to be widely used in military and civil areas. In passenger ship market, the catamaran’s performance above provides passengers with comfortable sightseeing experience, and that’s why catamarans are very popular among passengers and shipowners.

The main contents of this dissertation include the design of body plan and the calculation of resistance performance. The dissertation designs the body plan by remolding the body plan of the parent ship, after that the three-dimensional model of the catamaran is built. Then the calculation of resistance performance of designed catamaran is performed based on Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The details are as follows.

For body lines design, according to the requirement of the assignment book and the results of investigations into the flight course and similar ships, the main dimensions of the catamaran are determined with a passenger catamaran with 300 seats being the parent ship. After that, by remolding the body plan of the parent ship, the curve of areas of body sections, half breadth, section lines and sheer profiles are generated. With the body plan of designed catamaran obtained, the three-dimensional modeling, hydrostatic and stability calculations are performed. For the calculation of resistance performance, the calculations of monohull and catamaran configurations of Wigley are performed. The results are compared with experimental data and the numerical method is validated. After that, designed hull in monohull and catamaran configurations are calculated, and the interference effects of demihulls are investigated. In order to deeply study the interference effects, the speed and separation to length ratio are changed during the calculations, and change of resistance coefficients, velocity field around hulls and pressure field on surfaces of hulls are discussed.

The calculation results indicate that around the designed speed, negative interference occurred which makes the total resistance coefficient increase with the speed increasing. The separation to length ratio of designed hull prevents the designed catamaran from reaching the crest of total resistance coefficients, which is favorable for the resistance performance of designed catamaran.

Key Words: Catamarans; Body lines design; Resistance performance; Computational Fluid Dynamics; Interference effect

目 录

第1章 绪论 4

1.1 研究背景 4

1.2 研究现状 5

1.2.1 型线设计 5

1.2.2 船舶阻力性能计算 5

1.3 本文的主要工作 7

第2章 船舶主要要素的确定 9

2.1 设计任务书 9

2.1.1 航区及用途 9

2.1.2 规范、规则及设计要求 9

2.1.3 任务书分析 9

2.2 舟山群岛航区调研 10

2.2.1 地理位置 10

2.2.2 气候条件 10

2.2.3 旅游业 11

2.2.4 水文条件 11

2.2.5 旅客特征 12

2.3 相近船型调研 13

2.4 370客位双体客船的设计 14

2.4.1 主甲板长 14

2.4.2 垂线间长 16

2.4.3 船宽 17

2.4.4 吃水 17

2.4.5 型深 17

2.4.6 方形系数 18

2.4.7 棱形系数 18

2.5 重力与浮力的平衡 19

2.5.1 排水量的计算 19

2.5.2 空船重量的估算 19

2.5.3 载重量估算 20

2.5.4 重心估算 22

2.5.5 浮心纵向位置的估算 23

2.6 主要性能的校核 23

2.6.1 快速性校核 23

2.6.2 初稳性校核 23

2.6.3 横摇周期校核 24

2.7 370客位双体客船的初步布置 25

2.7.1 主甲板的布置 25

2.7.2 其他甲板的布置 25

2.7.3 底舱的布置 25

第3章 型线设计 27

3.1 横剖面面积曲线的绘制 27

3.1.1 母型船横剖面面积曲线的绘制 27

3.1.2 横剖面面积曲线的改造 28

3.2 半宽水线的改造 31

3.3 横剖线的改造 31

3.4 半宽水线的重新绘制 32

3.5 纵剖线的绘制 32

3.6 三维建模 32

3.7 静水力计算 33

3.7.1 静水力曲线 33

3.7.2 邦戎曲线 34

3.7.3 稳性横截曲线 34

第4章 双体船阻力性能计算 36

4.1 双体船的船型特征 36

4.2 双体船的阻力性能 36

4.3 技术路线 37

4.4 数值方法 37

4.4.1 控制方程 37

4.4.2 离散格式 38

4.4.3 VOF方法 38

4.5 计算参数 39

4.5.1 船模参数 39

4.5.2 计算域参数 40

4.5.3 网格设置 40

4.6 数值模拟 42

4.6.1 数值方法验证 42

4.6.2 双体客船计算 43

4.7 计算结果与讨论 45

4.7.1 双体船与单体船的比较 45

4.7.2 双体船阻力性能分析 49

4.8 结论 68

第5章 总结与展望 69

5.1 全文总结 69

5.2 展望 69

参考文献 71

附录1 370客位双体船型线图 73

附录2 370客位双体船总布置草图 74

致谢 75

绪论

研究背景

随船舶工业的发展，为适应人们对船舶各项性能日益提高的要求，在传统船型的相关理论体系与建造工艺发展较为完备的前提下，高性能船舶的研究已成为当今世界造船工业的热门课题。目前已经出现了高性能排水式单体船、双体船、多体船、滑行艇、水翼艇、表面效应船等不同的高性能船型，在不同的领域均有其使用价值。

在客船市场，相比于单体客船，双体客船在稳性、快速性、操纵性等方面具有更加优良的性能^[1]，受到了越来越多人的青睐。因此，近年来，双体观光客船的需求不断增长，对双体船的研究也不断增多。