决战东方浅谈散货船的节能设计变革，舰船技术｜取消球鼻艏成为“新风潮” 散货船（bulkcarrier）作为三大船型之

散货船（bulkcarrier）作为三大船型之一，在运输船舶中占有极大的比重，然而散货船主要以运输煤、谷物、矿砂等低附加值的货物为主，因此利润微薄。为了降低运营成本来提高竞争力，现代散货船普遍采用节能设计。从船舶原理的角度看，船舶能保持一定的航速，主要是推进系统提供的推力克服了阻力，那么散货船的节能设计也主要集中在提高推进效率和降低阻力这两个方面。球鼻艏作为一种能有效降低船舶阻力的装置，被广泛应用在散货船上。然而，近年来笔者所参与设计的或接触到的散货船，越来越多的取消了球鼻艏。这不禁让人疑惑：散货船为何要取消具有减阻功能的球鼻艏？其背后又透着散货船节能设计怎样的变革？

文章图片
没有球鼻艏的散货船型
球鼻艏的减阻原理
船舶在航行时会受到空气和水的阻力，其中空气阻力的占比相对较少，水的阻力占比较大，因此在探讨船舶阻力时，更多的应探讨水的阻力。一般来说水的阻力可以分为：摩擦阻力、粘压阻力、兴波阻力、突出体阻力等四种。这四种阻力在不同航速船舶中占的比例也有所不同，在低速船舶中，兴波阻力的占比很小，摩擦阻力的占比能达到70%~80% ，粘压阻力为10% 。对于高速船舶，兴波阻力的占比急剧增加，能达到40%~50% ，摩擦阻力为50% ，粘压阻力为5%左右。

文章图片
船模试验
而关于球鼻艏的减阻效果，主要是针对兴波阻力。船舶航行时，船艏对水施加压力，把水劈开而前进，于是就激起了一组随船前进的波浪，这就是首波；船艉在前进时，水中留出了一个低压区，形成了一组由船尾引起的波浪，称为尾波。从能量的角度看，船体掀起波浪就要消耗能量，船体不停的掀起波浪，就要不断的消耗能量，从而形成兴波阻力。球鼻艏的减阻原理是：球鼻艏兴起一个波浪，并恰巧让这个波的波谷和船首波的波峰处于同一位置，从而让合成的新波的高度较原来的首波有所降低，以此减小兴波阻力。据相关资料统计，匹配得当的球鼻艏，在船舶满载时可节约主机功率10%～15% 。

文章图片
突出的球鼻艏可以产生波浪
散货船为何要取消球鼻艏？
从球鼻艏的减阻原理，可以知道球鼻艏确实具有减阻作用，并且设计配合好的球鼻艏还能获得不错的减阻收益，为何散货船还要取消球鼻艏？关于这个问题，以笔者的设计经验来看，总结起来主要有以下几个原因：
第一个原因是：从船舶的阻力来看，兴波阻力的大小和航速有很大关系，而散货船的航速一般在12~16节之间，航速相对较低，兴波阻力占的比例并不大，这样球鼻艏对于散货船兴波阻力的减阻收益并不大。
第二个原因是：从推进功率的角度看，虽然球鼻艏增加了船舶在风浪中的纵摇阻尼，能使船舶在风浪中更平稳的航行，但是克服阻尼的能量大多来自推进功率，所以装备球鼻艏的船舶在波浪中航行的阻力反而大于普通船舶。

文章图片
装备球鼻艏的船舶在波浪中航行的阻力反而大于普通船舶
第三个原因是：近年来研究发现，垂直船艏不仅不会降低船舶的阻力性能，反而还能在不增加船舶总长的基础上间接增加船舶的垂线间长度① 。这意味着，用结构简单的垂直船艏去取代复杂的球艏，可以在不降低航速的前提下增加排水量，从而降低单位货物的运营成本，提高经济效益。