CFD 仿真如何优化观鲸船设计？Omnis Marine 助力打造新一代可持续生态旅游船

导读

在船舶设计领域，如何同时实现高速航行、低燃油消耗、优异舒适性以及更低环境影响，是工程师长期面临的挑战。

来自新西兰的生态旅游运营商 Whale Watch 与船舶设计公司 Teknicraft，通过 Cadence Omnis Marine CFD 软件开展船体与水翼系统优化，成功设计出新一代24米高速观鲸双体船。不仅实现了更高载客能力和更加舒适的乘坐体验，还将仿真结果与真实海试数据校准至1%以内，为船舶设计数字化验证提供了优秀示范。

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从生态旅游需求出发：观鲸船面临哪些设计挑战？

位于新西兰凯库拉半岛（Kaikōura Peninsula）的 Whale Watch 公司长期提供观鲸生态旅游服务，游客可以在自然栖息地近距离观察鲸鱼、海豚、海豹等海洋哺乳动物。

与传统观光船不同，观鲸船需要同时满足几个特殊要求：

• 快速到达观测海域
• 最大化游客观鲸时间
• 尽量减少对海洋生物的干扰
• 保持较低运营成本
• 在复杂海况下保证舒适性

由于鲸群可能出现在距离海岸 5 至 30 海里的区域，因此船舶必须具备较高航速，以减少往返时间并提高观赏效率。

与此同时，凯库拉半岛直接面向太平洋，缺乏天然屏障，海况较为复杂。当地港口空间有限，也限制了船舶尺寸和结构设计。

这些条件共同构成了船舶设计中的多目标优化难题。

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双体船与水翼技术如何提升船舶性能？

为解决上述挑战，Teknicraft 在1999年设计了首艘专门用于观鲸旅游的双体船。

创新设计采用：

• 双体船结构（Catamaran）
• 水翼辅助系统（Hydrofoil Support System）

这种设计能够利用水翼提供额外升力，从而：

• 降低船体浸没深度
• 减少压力阻力
• 降低摩擦阻力
• 提升航行稳定性
• 改善乘客舒适度

实践证明，这一方案非常成功。随后几年中，Whale Watch 又陆续建造了五艘同系列船舶。

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地震带来的新机遇：更大型观鲸船项目启动

2016年，凯库拉地区发生强烈地震，导致港口区域地貌发生明显变化。

随后当地政府对港口进行了大规模升级改造，使其具备停靠更大型船舶的能力。

这一变化为 Whale Watch 提供了全新的发展空间。

Teknicraft 再次受邀开展新一代观鲸船设计。

新船的目标包括：

• 总长度24米
• 载客量120人
• 工作航速30至35节

相比原有设计，性能要求显著提高。

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如何减少对鲸鱼和海洋生物的影响？

作为生态旅游项目，环保性能与运营性能同样重要。

为最大限度降低对海洋哺乳动物的影响，Teknicraft 采用了 Hamilton HJ364 喷水推进系统。

相较传统螺旋桨推进方式：

• 运行噪声更低
• 对海洋生物干扰更小
• 推进器叶轮位于内部
• 消除了螺旋桨伤害鲸类等海洋动物的风险

这一方案让船舶设计与生态保护目标实现了更好的平衡。

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Omnis Marine 如何完成船体与水翼优化？

为了保证新船设计达到预期目标，Teknicraft 采用 Cadence Omnis Marine 开展 CFD 仿真分析。

由于新船设计工况对应高达 1.2 的弗劳德数（Froude Number），团队首先进行了严格的模型校准工作。

仿真过程中重点研究：

• 船体阻力
• 水翼升力
• 自由液面变化
• 艉流结构
• 水翼尾流
• 湍流形成机制

为了获得高精度结果，工程团队对：

• 曲线区域
• 表面区域
• 计算域网格

进行了局部细化处理，并采用更高等级的网格扩散控制策略，以准确捕捉复杂流体行为。

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仿真与海试误差控制在1%以内

对于任何船舶 CFD 项目而言，最关键的问题并不是生成流场图片，而是验证仿真结果是否可信。

因此，Teknicraft 首先利用原有17米双体船的真实海试数据，建立校准模型。

结果显示：

Omnis Marine 仿真结果与海试数据之间的误差成功控制在1%以内。

这一成果极大增强了设计团队对新一代24米观鲸船优化方案的信心。

对于船舶设计行业而言，能够实现如此高精度的仿真校准，意味着：

• 设计风险显著降低
• 开发周期进一步缩短
• 物理试验成本减少
• 设计迭代效率提升

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CFD 驱动的新一代观鲸船正式投入运营

经过优化设计后，新一代24米双体观鲸船于2020年正式投入运营。

与前代产品相比，新船实现了：

• 更高载客能力
• 更高航行效率
• 更优燃油经济性
• 更舒适乘坐体验
• 更好的生态保护效果

Omnis Marine 在船体、水翼与推进系统协同优化过程中发挥了关键作用，推动 Whale Watch 开启可持续生态旅游的新阶段。

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为什么越来越多船舶企业采用 CFD 仿真？

随着数字化设计技术的发展，CFD（计算流体力学）已经成为现代船舶研发的重要工具。

相比传统设计流程，CFD仿真能够：

• 提前发现性能问题
• 降低物理样机成本
• 缩短开发周期
• 提高设计精度
• 优化能耗表现

特别是在高速船、水翼船、双体船以及海洋工程装备等领域，CFD 已成为推动设计创新的重要技术基础。

Cadence Omnis Marine 通过面向船舶行业优化的求解技术和自由液面分析能力，为工程师提供了从概念设计到性能验证的完整数字化设计平台。

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结语

从17米观鲸船到24米新一代高速双体船，Whale Watch与Teknicraft的案例展示了CFD仿真在船舶设计优化中的巨大价值。

通过 Omnis Marine，工程团队不仅实现了船体和水翼系统的高效优化，更将仿真结果与真实海试数据校准至1%以内，为船舶数字化设计树立了新的标杆。

对于从事船舶设计、海洋工程、流体仿真以及多物理场分析的工程师而言，这一案例也展示了CFD技术如何推动高性能、绿色化和可持续船舶研发。