基于CFD的船舶生活區(qū)減阻技術(shù)研究

張利軍，陳 鴿

（中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116600）

0 引言

隨著全球能源危機(jī)的日益加重和溫室效應(yīng)導(dǎo)致的氣候變暖現(xiàn)象的不斷加劇，如何能夠節(jié)約能源，減少二氧化碳的排放成為擺在全人類面前的重要問(wèn)題之一。對(duì)于船舶行業(yè)來(lái)說(shuō)，為了削減和抑制船舶溫室效果氣體（GHG）的排放量，國(guó)際海事組織（IMO）在第62次海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC 62）上，制定了船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）標(biāo)準(zhǔn)并將在全球范圍內(nèi)強(qiáng)制實(shí)行。雖然國(guó)際海事組織（IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)做出同意包括中國(guó)在內(nèi)的締約國(guó)推遲4年執(zhí)行EEDI的決定，但是船東們勢(shì)必在現(xiàn)階段就選擇滿足這一標(biāo)準(zhǔn)要求的新船，從而避免未來(lái)支付各種排放費(fèi)用。由于EEDI是分階段實(shí)行的，要求在2013～2025年分3個(gè)時(shí)間段執(zhí)行，每個(gè)時(shí)間段減排10%，共降低排放量30%，這使得一艘船的能效設(shè)計(jì)指數(shù)和使用壽命變得息息相關(guān)。

新推出的船舶產(chǎn)品如果沒(méi)有新的賣點(diǎn)，就不會(huì)引起船東很大的興趣。企業(yè)只有不斷推出性能優(yōu)越的船型，才能得到船東的青睞。在單船二氧化碳減排方面可以有以下幾種措施[1]：

1）技術(shù)性減排措施：船體線型優(yōu)化、氣膜減阻、推進(jìn)裝置及螺旋槳優(yōu)化、發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高、使用岸電、廢熱回收、使用新能源和替代燃料等，這些技術(shù)性措施從根本上減少船舶溫室氣體的排放，是實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排的主要手段。技術(shù)性減排措施是完善EEDI評(píng)估公式的主要依據(jù)。

2）營(yíng)運(yùn)性減排措施：船隊(duì)減速、優(yōu)化輔機(jī)供電體系、氣象導(dǎo)航、JIT物流管理、提高裝卸效率、船體維護(hù)保養(yǎng)等，營(yíng)運(yùn)性措施是在現(xiàn)有硬件條件基礎(chǔ)上，通過(guò)更高效的管理和運(yùn)作來(lái)提高營(yíng)運(yùn)效率，實(shí)現(xiàn)溫室氣體的減排。

相比較而言，航程優(yōu)化、主機(jī)監(jiān)控、高效推進(jìn)裝置、氣膜減租、氣體燃料和廢熱回收幾種減排措施的成本較高。

在節(jié)能減排方面，日本和韓國(guó)都做了很多深入的研究工作。日本的一款安裝在駕駛室側(cè)翼以及支撐柱上的附加裝置[2]，不僅簡(jiǎn)單實(shí)用，易于安裝和檢修，而且起到有效的減少風(fēng)阻的作用。文章亦針對(duì)這種結(jié)構(gòu)的附加裝置進(jìn)行了初步研究。

1 生活區(qū)風(fēng)阻研究

1.1 計(jì)算的前處理

本文以某散貨船生活區(qū)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立四種不同的生活區(qū)上部結(jié)構(gòu)（駕駛甲板及操作甲板部分）的數(shù)值模型（圖1），采用計(jì)算流體力學(xué)方法，數(shù)值模擬生活區(qū)的受力和周圍的流場(chǎng)狀況并得到相應(yīng)的數(shù)值分析結(jié)果。其中，模型A為駕駛甲板及操作甲板部分的原始模型；模型B在模型A的基礎(chǔ)上，將模型A的駕駛甲板、操作甲板及后部煙囪的前表面改為一個(gè)弧面（長(zhǎng)寬比為0.1）；模型C（圖2）是在模型A的基礎(chǔ)上，將模型A的各個(gè)折角處改為半徑R=0.3 m的圓弧面；模型D是在模型A的基礎(chǔ)上，將模型A的各個(gè)折角處改為半徑R=0.5 m的圓弧面。同時(shí)，為了比較不同相對(duì)風(fēng)速下的風(fēng)阻情況，設(shè)定了六種垂直于模型前表面的來(lái)風(fēng)速度（5 m/s, 10 m/s，15 m/s, 20 m/s, 25 m/s, 30 m/s）。

由于4個(gè)模型均為中心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，出于節(jié)省計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算成本的考慮，取模型的一半模擬流場(chǎng)。同時(shí)，為了減少計(jì)算域邊界對(duì)流場(chǎng)的影響，取模型的5倍尺寸建立計(jì)算域。數(shù)值模擬需要的網(wǎng)格采用商用軟件生成。為了精確的捕捉到四個(gè)模型的不同之處，模型本體及模型在計(jì)算域各表面的投影網(wǎng)格間距為20個(gè)單位長(zhǎng)度（cm），其他的線及面采用以模型本體為中心向外發(fā)散，網(wǎng)格間距逐漸擴(kuò)大的方法生成。同時(shí)為了能夠準(zhǔn)確的比較4個(gè)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)，減小因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)量和構(gòu)成類型不同造成的計(jì)算誤差，四個(gè)模型均采用六面體與四面體混合構(gòu)造法，網(wǎng)格數(shù)目都在65萬(wàn)左右。

圖1 模型及計(jì)算域

圖2 模型C示意圖

數(shù)值計(jì)算采用商用軟件來(lái)進(jìn)行。由于流場(chǎng)內(nèi)模型構(gòu)成比較復(fù)雜，所以對(duì)流項(xiàng)插值選擇二階迎風(fēng)格式，壓力選擇standard插值。出于收斂性和降低偽擴(kuò)散的考慮，擴(kuò)散項(xiàng)梯度插值應(yīng)用Green-Gauss node based方法，選擇SIMPLE求解器，在得到相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)后使用耦合求解器求解。為了精確的比較各個(gè)模型在空氣動(dòng)力學(xué)上的不同，同時(shí)為了兼顧計(jì)算收斂解需要的時(shí)間成本和解的穩(wěn)定性，湍流模型使用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型來(lái)計(jì)算。數(shù)值收斂解的判斷采用動(dòng)量方程式殘差0.0001，速度殘差0.000001量級(jí)為判斷基準(zhǔn)，物理收斂解的判斷以阻力系數(shù)的殘差值為基準(zhǔn)，判斷量級(jí)為0.001。

邊界條件設(shè)定如下所示：

進(jìn)口邊界條件：速度進(jìn)口（VELOCITY_INLET）；

出口邊界條件：自由出流（OUTFLOW）；

固壁邊界條件：無(wú)滑固壁（WALL）。

考慮到船舶在大海里的航行情況，此次研究忽略重力影響并且不考慮溫度交換（恒溫288.16K）。

1.2 結(jié)果分析

圖3為相對(duì)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，模型B表面的速度矢量云圖。由圖可見，入流空氣在接觸到模型前表面后，形成一個(gè)低速高壓區(qū)，并沿模型前表面加速向上對(duì)模型形成繞流效果。由于模型前表面的阻擋，在模型上表面也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由于負(fù)壓力差產(chǎn)生的漩渦區(qū)。鑒于模型結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，雷諾數(shù)相對(duì)較大，所以類似的漩渦在模型表面還有很多處。這些漩渦會(huì)減小模型表面層流區(qū)的長(zhǎng)度，加速湍流化的過(guò)程，導(dǎo)致摩擦阻力的增加。由于空氣粘度很小，同時(shí)漩渦的存在也會(huì)造成模型表面摩擦阻力的多向性，因此與壓差阻力相比模型受到的摩擦阻力十分微小，可以忽略不計(jì)，具體阻力數(shù)值如表1所示。

圖3 模型B表面速度矢量示意圖

表1 模型D受力分析結(jié)果

表2 與模型A相比各模型的阻力減小

從表2可以看出，通過(guò)優(yōu)化上層建筑的外形，可以起到降低風(fēng)阻的作用，隨著相對(duì)風(fēng)速的提高，風(fēng)阻優(yōu)化的效果更加明顯。

空氣阻力的計(jì)算公式表示為：

在相對(duì)速度和空氣密度一定的條件下，模型受到的風(fēng)阻是由模型的迎風(fēng)面積S和模型的空氣阻力系數(shù)Cd決定的。由于模型D是將原始模型A的各個(gè)折角處改為半徑R=0.5 m的圓弧面，既減少了迎風(fēng)面積又使得模型的外形更接近于流線型，降低了空氣阻力系數(shù)，因此，收到了相對(duì)好的優(yōu)化效果。

2 減阻裝置研究

2.1 裝置介紹

選取安放在船舶生活區(qū)駕駛室側(cè)翼及支撐柱上的附加裝置，可以使入射氣流形成若干個(gè)斜面角，從而起到降低風(fēng)阻的作用。圖4中的長(zhǎng)方體是駕駛室側(cè)翼的一部分，尺寸參考了某散裝船的駕駛室側(cè)翼的實(shí)際尺寸。前部的弧面為降低風(fēng)阻 的附加裝置，具體的尺寸如圖4所示。

圖4 模型B示意圖

2.2 計(jì)算的前處理

文中建立了三種數(shù)值模型。模型A為未安裝降低風(fēng)阻附加裝置的駕駛室側(cè)翼的原始模型；模型B是圖4表示的數(shù)值模型；出于實(shí)際生產(chǎn)安裝工藝的考慮，模型C是在圖4的數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，將附加裝置從中間切開，留下0.4 m的空隙，將原附加裝置分成兩個(gè)獨(dú)立部分安裝在駕駛室側(cè)翼上。

數(shù)值模擬需要的網(wǎng)格采用商用軟件來(lái)生成。為了精確的捕捉到3個(gè)模型的不同之處，模型本體及模型在計(jì)算域各表面的投影網(wǎng)格間距為10個(gè)單位長(zhǎng)度（cm），其他的線及面采用以模型本體為中心向外發(fā)散，網(wǎng)格間距逐漸擴(kuò)大的方法生成。同時(shí)為了能夠準(zhǔn)確的比較3個(gè)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)，減小因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)量和構(gòu)成類型不同造成的計(jì)算誤差，3個(gè)模型均采用六面體與四面體混合構(gòu)造法，網(wǎng)格數(shù)目都在70萬(wàn)左右。

數(shù)值計(jì)算采用商用軟件來(lái)進(jìn)行。除了由于流場(chǎng)內(nèi)計(jì)算實(shí)體只有一個(gè)，相對(duì)簡(jiǎn)單，所以除湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型外，其他的設(shè)定以及邊界條件的選擇與前面的生活區(qū)風(fēng)阻計(jì)算保持一致。

2.3 結(jié)果分析

圖5、圖6、圖7為各個(gè)模型在相對(duì)速度5m/s條件下的前表面壓力云圖，顏色越接近紅色表示壓強(qiáng)越大。對(duì)比這三張壓力云圖可以看出，在安裝了降低風(fēng)阻的附加裝置后，模型前表面的高壓區(qū)明顯減小。從圖8可以看出這是由于氣流在遇到附加裝置的圓弧形前表面后，加速向上（向下），繞過(guò)了后部的駕駛室側(cè)翼部分所產(chǎn)生的。

圖5 模型A前表面等壓圖

圖6 模型B前表面等壓圖

圖7 模型C前表面等壓圖

圖8 模型B表面速度矢量圖

從圖9的柱狀圖中可以發(fā)現(xiàn)，模型B、C都可以達(dá)到減阻30%以上的優(yōu)化效果，并且隨著相對(duì)速度的提高，優(yōu)化效果也更加明顯。但總的來(lái)說(shuō)，模型C與B相比優(yōu)化效果差異不大。

圖9 模型B、C與模型A相比的阻力減少

從圖9的柱狀圖中可以發(fā)現(xiàn)，模型B、C都可以達(dá)到減阻30%以上的優(yōu)化效果，并且隨著相對(duì)速度的提高，優(yōu)化效果也更加明顯。但總的來(lái)說(shuō)，模型C與B相比優(yōu)化效果差異不大。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用CFD方法，通過(guò)對(duì)生活區(qū)不同外形方案進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析，得出如下結(jié)論：

1）對(duì)生活區(qū)的外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以起到有效的減少風(fēng)阻的作用。由于考慮到生活區(qū)實(shí)際的布置要求，文中只是針對(duì)生活區(qū)進(jìn)行了較小的外形優(yōu)化。在外形整體結(jié)構(gòu)上有較大的優(yōu)化空間的情況下，還可以進(jìn)一步采取復(fù)合階梯式優(yōu)化，切角優(yōu)化等措施以達(dá)到更好的減阻效果。

2）降低風(fēng)阻的附加裝置雖然存在只能加裝在駕駛室側(cè)翼及支柱上這一局限性，但是附加裝置的運(yùn)用對(duì)于降低風(fēng)阻起到十分明顯的效果。通過(guò)安裝附加裝置以達(dá)到減阻目的的流場(chǎng)整合方法具有進(jìn)一步開發(fā)和拓展的空間。

[1]馬場(chǎng)弘明.船舶の省エネルギー対策[R]//広島商船高等専門學(xué)校紀(jì)要第31號(hào), 2009.

[2]日本郵船.居住區(qū)の風(fēng)圧抵抗を10%低減[N/OL].http://www.nyk.com/release/1413/NE_110704.html