補償導(dǎo)管節(jié)能效果CFD數(shù)值模擬研究

CCS技術(shù)研究開發(fā)中心 吳明遠

EEDI和SEEMP兩項船舶能效準(zhǔn)則，自2013年1月1日起開始生效，2015年起強制執(zhí)行。EEDI指數(shù)超標(biāo)的新設(shè)計船將不能通過船級社或IMO的審核，SEEMP指數(shù)超標(biāo)的運營船舶將無法進入國際航運市場。船舶水動力節(jié)能附體裝置，節(jié)能效果顯著，成本低廉，安裝方便，將會贏得船東或船廠所青睞。補償導(dǎo)管，適用船型廣，節(jié)能效果顯著，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，制造、安裝方便，是一款綜合性能優(yōu)越的水動力節(jié)能附體裝置。

補償導(dǎo)管的節(jié)能效果

隨著全球變暖和海平面上升等溫室效應(yīng)造成的環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻，節(jié)能減排開始為世界各國重視。船舶運輸行業(yè)，一直都是高能耗、高排放行業(yè)中的大戶，自然成為節(jié)能減排的重點。2008年，IMO在MEPC58次會議上提出船舶排放標(biāo)準(zhǔn)的能效設(shè)計指數(shù)EEDI和能效運營指數(shù)SEEMP。2011年，IMO在MEPC62次會議正式通過《MARPOL73/78公約》附則Ⅵ修正案，確定了EEDI和SEEMP兩項船舶能效準(zhǔn)則。《MARPOL73/78公約》附則Ⅵ修正案，在2013年1月1日已經(jīng)生效，并在2015年起強制執(zhí)行。EEDI指數(shù)超標(biāo)的新設(shè)計船將不能通過船級社或IMO的審核，SEEWP指數(shù)超標(biāo)的運營船舶將無法進入國際航運市場。近年來，中國船級社、研究設(shè)計院所、高等學(xué)校和船廠通過對中國船舶的EEDI指數(shù)計算驗證，并與MEPC提供的Baseline比較得出，中國63%散貨船的EEDI指數(shù)大于Baseline；57%集裝箱船的EEDI指數(shù)超過Baseline；73%的共同規(guī)范（CSR）散貨船超標(biāo)。屆時，我國船舶工業(yè)和航運業(yè)將面臨著巨大挑戰(zhàn)。此外，國際石油價格持續(xù)上漲，船舶運輸行業(yè)作為耗油大戶，勢必也會面臨巨大壓力。研發(fā)節(jié)能效果顯著的船舶節(jié)能技術(shù)具有十分重要的意義。

目前新造船舶一般選用如下節(jié)能技術(shù)：選用節(jié)能環(huán)保型主副機，選用高效螺旋槳，優(yōu)化船體、主機和螺旋槳的匹配，優(yōu)化船體線型，選用合適的水動力節(jié)能附體。然而，前幾項船舶節(jié)能技術(shù)花費昂貴，節(jié)能效果卻因船而異，只應(yīng)用于新船型設(shè)計，而不適用于能效指數(shù)超標(biāo)的舊船改裝。水動力節(jié)能附體，節(jié)能效果顯著，卻花費低廉，安裝方便，不僅適用于新造船舶，而且適用于舊船改造。

補償導(dǎo)管，英文簡稱WED（Wake Equalizing Duct），是由德國艾根工業(yè)大學(xué)Schneekluth教授提出的，于1984 年成功安裝于一艘7 萬噸散貨船，是一個前端直徑大、后端直徑小的喇叭形的半圓導(dǎo)管，安裝于螺旋槳斜上前方的的左右兩側(cè)，通常左右兩側(cè)不對稱（見圖1）。補償導(dǎo)管，適用船型廣，節(jié)能效果顯著，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，制造、安裝方便，至今已為過千艘船舶安裝，是一款綜合性能優(yōu)越的水動力節(jié)能附體裝置。

國內(nèi)的錢文豪、李潔雅等分別做過試驗研究，黃少鋒等做過CFD 數(shù)值模擬研究。國外的Schneekluth Hydrodynamic Entwicklungs-und Vertriebs-GmbH （施洛克納奇流體力學(xué)發(fā)展有限公司）有大量的實船試驗，F(xiàn)riedrich Mewis、Fahri C-elik、Viorel Gabriel Maria等做過CFD 數(shù)值模擬研究?，F(xiàn)在，CFD 數(shù)值計算方法已經(jīng)部分取代了模型試驗，逐漸地應(yīng)用于船舶水動力學(xué)性能的預(yù)報。在成功預(yù)報船體的阻力、敞水以及自航特性的基礎(chǔ)上，已開始使用CFD 數(shù)值計算方法來預(yù)報補償導(dǎo)管的節(jié)能效果。采用CFD 數(shù)值計算方法，以75000 載重噸散貨船為研究對象，研究其加裝補償導(dǎo)管后的節(jié)能效果，先后模擬了不帶補償導(dǎo)管裸船體水動力性能、不帶補償導(dǎo)管的船-槳-舵系統(tǒng)水動力性能、帶補償導(dǎo)管的裸船體水動力性能、帶補償導(dǎo)管的船-槳-舵系統(tǒng)的水動力性能，并對計算結(jié)果進行對比分析。

CFD數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

采用SSTk-ω湍流模型求解RANS方程。

控制方程：

控制方程為不可壓縮流體的連續(xù)方程和RANS方程：

式中，ρ為密度，μ為流體粘性系數(shù)，p為壓力，ùi為速度脈動量。

湍流模型：

SSTk-ω湍流模型包括湍流動能k和湍流動能耗散率ω的方程為：

其 中：Γk 和Γω 表 示k 和ω 的有效擴散率，Gκ 表示由于平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，Gω 表示特殊湍流動能耗率ω 的產(chǎn)生，Yk 和 Yω 表示由于湍流k 和ω 的耗散，Sk 和 Sω 為用戶自定義項。

計算對象選取

本文選取了75000載重噸散貨船為計算對象。船?？傞L5.625米， 垂 線 間 長5.425米， 型 寬0.8065米， 型 深0.4625米， 設(shè)計吃水0.3125米、螺旋槳直徑179.25mm，槳葉數(shù)目4、舵葉剖面類型NACA0021、補償導(dǎo)管剖面翼型NACA0018。補償導(dǎo)管圖見圖1至圖3。

圖2 導(dǎo)管剖面視圖

圖3 導(dǎo)管安裝位置圖

圖1 補償導(dǎo)管

本文先后模擬了不帶補償導(dǎo)管裸船體水動力性能、不帶補償導(dǎo)管的船-槳-舵系統(tǒng)水動力性能、帶補償導(dǎo)管的裸船體水動力性能、帶補償導(dǎo)管的船-槳-舵系統(tǒng)的水動力性能，劃分網(wǎng)格見圖4至圖8。

圖4 主船體及其計算域網(wǎng)格

表1 船模主要參數(shù)

表2 補償導(dǎo)管主要參數(shù)

圖5 不帶導(dǎo)管裸船體計算域的船尾小域網(wǎng)格

圖6 不帶導(dǎo)管船-槳-舵系統(tǒng)計算域的船尾小域網(wǎng)格

圖7 帶導(dǎo)管裸船體計算域的船尾小域網(wǎng)格

圖8 帶導(dǎo)管船-槳-舵系統(tǒng)計算域的船尾小域網(wǎng)格

計算結(jié)果及結(jié)論

通過比較加裝補償導(dǎo)管前后換算到實船的總阻力，船身效率，推進效率，實槳收到功率，判斷補償導(dǎo)管的節(jié)能效率以及通過分析槳前速度矢量圖，進流面槳葉表面壓力圖，槳前軸向速度云圖來分析其節(jié)能機理。

加補償導(dǎo)管后，實船速度分別在14節(jié)、15節(jié)、16節(jié)下的總阻力，相比加補償導(dǎo)管前分別增加了2.73%、2.12%和2.44%。加補償導(dǎo)管后，會增大船體的總阻力。

船身效率是船的有效馬力和螺旋槳后推功率的比值。加補償導(dǎo)管后，實船速度分別在14節(jié)、15 節(jié)、16 節(jié)下的船身效率，相比加補償導(dǎo)管前分別提升了14.76%、9.77%和5.53%，加補償導(dǎo)管后，會提高船身效率，隨著航速增大，在一定航速范圍內(nèi)，船身效率提高比例減小。

加補償導(dǎo)管后，實船速度分別在14節(jié)、15節(jié)、16節(jié)下的推進效率，相比加補償導(dǎo)管前分別增加了6.44%，3.43%和5.51%，加補償導(dǎo)管后，會提高船舶的推進效率，在一定航速范圍內(nèi)，隨著航速增加，提高船舶推進效率的增幅會減小。

加補償導(dǎo)管后，實船速度分別在14節(jié)、15節(jié)、16節(jié)下的節(jié)能效率，相比加補償導(dǎo)管前分別增加了3.49%、3.22%和0.96%，加補償導(dǎo)管后，實槳收到功率減小，在一定航速范圍內(nèi)，實槳收到功率減幅減小。

下面通過槳前速度矢量圖，進流面槳葉表面壓力圖，槳前軸向速度云圖來比較安裝補償導(dǎo)管前后的變化，進而分析補償導(dǎo)管的節(jié)能機理。

當(dāng)航速為14.98節(jié)時的x=4m處的槳前水流速度矢量圖，x=4m處平面位置圖（見圖9）。

圖9：x=4m處平面位置圖

圖10：加裝補償導(dǎo)管前（左）后（右）槳前x=4m處水流矢量圖比較

通過比較（圖10），加裝補償導(dǎo)管后，槳前水流速度變大，且中間速度區(qū)域的面積變大，螺旋槳盤面上方流速趨于均勻。一個更為均勻的進流場可以減小螺旋槳的激振力，降低螺旋槳噪聲，提升螺旋槳效率。

加裝補償導(dǎo)管前后進流面槳葉表面壓力比較圖（圖11），通過比較可知，加裝補償導(dǎo)管后，中間壓力區(qū)變大，螺旋槳盤面上方壓力趨于均勻。

加裝補償導(dǎo)管前后，槳前x=4m處的軸向速度云圖（圖12），圖中可以看出槳前處裝有補償導(dǎo)管的船模的尾流場分布比裸船體的要更均勻一些。這是由于補償導(dǎo)管附近存在環(huán)流的緣故。環(huán)流使得流經(jīng)導(dǎo)管內(nèi)側(cè)的流動加速，外側(cè)的流動減速，進而導(dǎo)致更多的水從導(dǎo)管穿過，并且使槳盤上側(cè)的水流速度增加。這會使得槳前進流更為均勻，進而可以提高螺旋槳的效率。

圖11 加裝補償導(dǎo)管前（左）后（右）進流面槳葉表面壓力比較圖

圖12 加裝補償導(dǎo)管前（左）后（右）槳前x=4m處的軸向伴流分布對比對比

通過比較加裝補償導(dǎo)管前后船-槳-舵系統(tǒng)的水動力性能，可以得出以下結(jié)論。

一、加裝補償導(dǎo)管后，船體的阻力會增加，說明產(chǎn)生附加推力相對于增加的阻力要小。

二、加裝補償導(dǎo)管后，船身效率顯著提高，在14 ～16節(jié)范圍內(nèi)，效率提高5.33%～14.76%，隨著速度增大而減小。

三、加裝補償導(dǎo)管后，在14 ～16節(jié)范圍內(nèi)，推進效率提高3.43%～6.44%，槳后收到功率減少0.96%～3.49%，節(jié)能效果顯著，隨著速度增加，節(jié)能效果有降低的趨勢。

四、加裝補償導(dǎo)管后，加速了螺旋槳盤面上方的流速，流速顯著提高，使得流速趨于均勻，進流面槳葉壓力趨于均勻，有利于提高螺旋槳推進效率，減小槳葉負(fù)荷，降低螺旋槳激振力引起的船體振動。