基于縱傾優(yōu)化的油船節(jié)能研究

高現(xiàn)嬌，孫江龍,2,3，黃本燊，鐘 誠(chéng)

(1. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 船舶與海洋工程水動(dòng)力湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

基于縱傾優(yōu)化的油船節(jié)能研究

高現(xiàn)嬌1，孫江龍1,2,3，黃本燊1，鐘 誠(chéng)1

(1. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 船舶與海洋工程水動(dòng)力湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

以成品油船的阻力性能為優(yōu)化指標(biāo)，根據(jù)船體型線圖，采用CATIA及ICEM軟件，建立三維模型及計(jì)算域，劃分結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格；采用計(jì)算流體力學(xué)軟件（Fluent）計(jì)算目標(biāo)船在變縱傾狀態(tài)和吃水下的阻力值，并與船模拖曳試驗(yàn)相比較，分析縱傾變化對(duì)船舶阻力性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：該方法可以確定船舶在不同吃水下的最優(yōu)縱傾值，并為船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)提供建議，從而提高船舶的節(jié)能減排率，為發(fā)展綠色船舶提供新方向。

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；數(shù)值模擬；船模試驗(yàn)；縱傾優(yōu)化；節(jié)能減排

0 引 言

近年來(lái)，隨著航運(yùn)業(yè)低運(yùn)價(jià)、高油價(jià)情況的持續(xù)，各航運(yùn)公司開(kāi)始降低運(yùn)營(yíng)成本來(lái)提高生存競(jìng)爭(zhēng)力。而在船舶的整個(gè)生命周期中，與燃油相關(guān)的成本占總成本的約40%～60%[1]，此外國(guó)際海事組織（IMO）也對(duì)船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）和營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）作出規(guī)定以限制二氧化碳排放量，因此對(duì)船舶進(jìn)行節(jié)能改造以降低油耗是提高競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。

進(jìn)行水動(dòng)力性能優(yōu)化是船舶節(jié)能減排的一個(gè)重要研究方向，主要包括對(duì)船舶進(jìn)行線型優(yōu)化、對(duì)已營(yíng)運(yùn)船舶進(jìn)行球鼻首改裝、安裝節(jié)能裝置和縱傾優(yōu)化4個(gè)方面[2]。韓國(guó)大宇造船廠對(duì)超大型原油運(yùn)輸船（VLCC）進(jìn)行型線優(yōu)化，降低了5%的油耗；武漢理工大學(xué)對(duì)某漁船進(jìn)行球鼻首改裝，使設(shè)計(jì)狀態(tài)下的總阻力降低了6%；節(jié)能裝置則是在船舶的尾部安裝整流鰭、舵球等整流裝置以均勻螺旋槳進(jìn)流，從而提高船舶的推進(jìn)效率，但節(jié)能效果因船型和節(jié)能裝置的不同而異，綜合來(lái)說(shuō)節(jié)能效率可達(dá)2%～8%[3]；但線型優(yōu)化、球鼻首改裝通常僅只是針對(duì)特定的航速和吃水（通常是設(shè)計(jì)航速和設(shè)計(jì)吃水）下才會(huì)達(dá)到理想的節(jié)能效果[4]，當(dāng)船舶的航行姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)節(jié)能效果便會(huì)降低甚至?xí)鹩秃脑黾樱惭b節(jié)能裝置雖然在一定程度上降低油耗，但會(huì)增加投資成本并降低船舶的營(yíng)運(yùn)效率，而縱傾優(yōu)化是在保證船舶的排水量不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)裝載或壓載水來(lái)改變船體水下部分的流體線型和靜水阻力從而降低油耗，既可用于綠色船舶的設(shè)計(jì)研發(fā)，又能用于現(xiàn)已營(yíng)運(yùn)的船舶，是未來(lái)綠色船舶的重要發(fā)展方向[5–7]。縱傾優(yōu)化作為最容易實(shí)現(xiàn)的節(jié)能手段之一，既能降低油耗、提高營(yíng)運(yùn)優(yōu)勢(shì)又能減少對(duì)環(huán)境的污染，越來(lái)越受到重視[8–9]。

本文以某成品油船的阻力性能為優(yōu)化指標(biāo)，采用CATIA及ICEM軟件，根據(jù)船體型線圖及其型值參數(shù)，建立船體三維模型及控制域，劃分結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格；采用CFD軟件（Fluent）計(jì)算目標(biāo)船在不同變縱傾狀態(tài)下的阻力值，并與試驗(yàn)結(jié)果相比較，分析縱傾變化對(duì)船舶阻力性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：該方法可以確定船舶在不同吃水下的最優(yōu)縱傾值，并為船舶的實(shí)際運(yùn)營(yíng)提供建議，從而提高船舶的節(jié)能減排率。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 建立模型

本文以某46 000 t成品油輪為目標(biāo)船，該船實(shí)際運(yùn)營(yíng)中存在多種工況，因此有必要開(kāi)展縱傾優(yōu)化工作以確定最優(yōu)節(jié)能方案。該船具體船型參數(shù)及營(yíng)運(yùn)工況如表1所示。

由于該船實(shí)際營(yíng)運(yùn)中存在較多工況，為了節(jié)約計(jì)算成本，本文選取實(shí)際運(yùn)營(yíng)中在設(shè)計(jì)航速下Vs=11 kn較為典型的3種工況（壓載、設(shè)計(jì)吃水、滿載）進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮到船模試驗(yàn)中對(duì)水池長(zhǎng)度、拖車(chē)速度、池壁干擾現(xiàn)象和堵塞效應(yīng)的限制，取模型縮尺比λ=36以便于和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

在Catia的創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊中，選擇三維笛卡爾坐標(biāo)系O-XYZ為建模坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸定義為：以中線面、基平面和尾站面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，基平面與尾站面的交線為Y軸，指向右舷為正；中線面與尾站面的交線為Z軸，向上為正；Z軸服從右手坐標(biāo)系[10]。根據(jù)目標(biāo)船的型線圖及型值表進(jìn)行三維船體建模，并利用曲線光順命令確保相鄰的船體曲面光順結(jié)合，建模效果如圖1所示。

表 1 油船基本參數(shù)Tab. 1 Basic parameters of oil tanker

表 2 油船計(jì)算工況Tab. 2 Calculating conditions of oil tanker

1.2 控制方程

RANS方程是粘性流體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的普適性控制方程[11]，本文用它作為求解船體阻力的基本方程，其形式如下：

式中：ρ為流體密度；p為靜壓；fi為單位質(zhì)量的質(zhì)量力；ui，uj均為速度分量。

對(duì)RANS方程進(jìn)行求解時(shí)，RNG k-ε湍流脈動(dòng)耗散方程能更好地模擬船體周?chē)姆蛛x流、復(fù)雜流等二次流動(dòng)：

對(duì)于自由液面的波動(dòng)，本文采用VOF法多相流模型進(jìn)行模擬：

式中：a1，a2分別為空氣相和水相的體積分?jǐn)?shù)。

2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算策略

網(wǎng)格劃分是CFD模擬過(guò)程中用時(shí)較多的環(huán)節(jié)，也是影響數(shù)值計(jì)算的模擬精度、穩(wěn)定性和收斂速度的關(guān)鍵因素之一，網(wǎng)格過(guò)密或過(guò)疏都會(huì)極大地影響計(jì)算結(jié)果。網(wǎng)格過(guò)疏，計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際值相差較遠(yuǎn)甚至得到錯(cuò)誤的計(jì)算值，網(wǎng)格過(guò)密，使計(jì)算量增大且計(jì)算難以收斂。

因此，本文在網(wǎng)格劃分時(shí)使用了局部加密的方法，在遠(yuǎn)離船體周?chē)鲌?chǎng)的入口段和出口段，將其密度給予適當(dāng)降低，以便于控制網(wǎng)格總數(shù)，而在船體附近曲率變化大的地方則逐步過(guò)渡加密，這樣不僅能夠提高計(jì)算精度，還能避免流場(chǎng)變化平緩區(qū)域的計(jì)算資源浪費(fèi)[12]。

本文計(jì)算流域的選取為：入口距離船首一倍船長(zhǎng)，出口距離船尾兩倍船長(zhǎng)，吃水方向距離船體底面一倍船長(zhǎng)，船寬方向距離中縱剖面一倍船長(zhǎng)，由于是數(shù)學(xué)模型，左右嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)，因此為了節(jié)約計(jì)算成本，計(jì)算時(shí)只需取一半計(jì)算模型即可，網(wǎng)格總數(shù)約為110萬(wàn)。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

計(jì)算策略為：瞬態(tài)計(jì)算，船體中縱剖面所在的面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面，類(lèi)型為SYMMETRY，動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流耗散率均采用2階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，入口為速度入口，出口為水流出口，流域的壁面設(shè)置為速度入口以模擬無(wú)限流場(chǎng)，來(lái)流速度與航速大小相同，方向相反，由于粘性流體在壁面處的應(yīng)滿足無(wú)滑移條件，故設(shè)置為不可穿透的WALL，如表3所示。

表 3 邊界條件計(jì)算策略Tab. 3 Calculation strategy of the boundary conditions

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 流場(chǎng)分析

圖4為設(shè)計(jì)吃水下D=10.2 m下尾傾0.6 m、平浮、及首傾0.6 m時(shí)的船體表面動(dòng)壓力云圖及圖及波高圖。橫向?qū)Ρ葎?dòng)壓力云圖中可以看出，從船首到船尾船體表面動(dòng)壓力云圖先增大（一般在18～20站達(dá)到最大）后減小，在船尾處又略微增大，但明顯小于船首動(dòng)壓力云圖，這是由于水的粘性作用，使船體前后表面產(chǎn)生壓力差，是產(chǎn)生粘壓阻力的原因。

縱向?qū)Ρ冗€可以發(fā)現(xiàn)，首傾0.6 m下的船首動(dòng)壓力比平浮和尾傾下的明顯小很多，說(shuō)明縱傾對(duì)船體周?chē)鲌?chǎng)產(chǎn)生了顯著影響。從波高圖中可以看出，在船的首尾附近處產(chǎn)生波峰，興波最為明顯，這是興波阻力產(chǎn)生的體現(xiàn)；尾傾狀態(tài)下，首部和尾部的波浪均比首傾和平浮時(shí)有所降低，說(shuō)明該狀態(tài)下船體興波阻力也有所減小。

3.2 CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

模型試驗(yàn)在華中科技大學(xué)船舶拖曳水池內(nèi)進(jìn)行，該水池的主要參數(shù)如下：長(zhǎng)、寬、深分別為175 m×6 m× 4 m，拖車(chē)加速度約為0.67 m/s，最大運(yùn)行速度為8 m/s。船?？s尺比為36，表面進(jìn)行光潔處理，為了使船模的邊界層處于紊流狀態(tài)，在19站處安裝人工激流絲，船模及其在拖曳水池中的狀態(tài)如圖6所示。

為了驗(yàn)證CFD數(shù)值計(jì)算的可靠性，分別將3種吃水下各個(gè)縱傾狀態(tài)的數(shù)值計(jì)算值Rm與試驗(yàn)值Rs進(jìn)行對(duì)比，并繪制成縱傾-阻力曲線圖。

如圖7所示：虛線為CFD的數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)線為船模拖曳試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：雖然數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值有一定的差異（主要與計(jì)算域的選取、網(wǎng)格的劃分、水溫的不同有關(guān)），但總體而言數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)值相差不大，且誤差基本控制在4%范圍內(nèi)，滿足工程精度的要求，同時(shí)CFD計(jì)算得到的縱傾-阻力變化規(guī)律與船模試驗(yàn)的變化規(guī)律表現(xiàn)出良好的一致吻合性，即用數(shù)值模擬方法來(lái)求解船舶的阻力性能可靠。

表 4 CFD值與試驗(yàn)值的對(duì)比Tab. 4 Comparisons of the CFD and experiments results

從圖中還可以看出，在排水量和航速保持不變的情況下，船舶的阻力會(huì)隨著縱傾狀態(tài)而發(fā)生變化，從而驗(yàn)證了可以通過(guò)調(diào)節(jié)縱傾來(lái)降低船舶的節(jié)能減排率，為發(fā)展綠色船舶提供了新思路?？v傾值與阻力之間的具體變化規(guī)律與船舶的吃水有關(guān)，當(dāng)船舶處于平均吃水Dm=7.8 m的壓載狀態(tài)時(shí)，船舶的水阻力隨著尾傾值的增大而增大，適當(dāng)首傾有利于減小水阻力，船舶在該工況下的最佳縱傾值為首傾0.5 m，具有3.34%的節(jié)能潛力；當(dāng)船舶在設(shè)計(jì)吃水Dm=10.2 m時(shí)，水阻力隨著首傾值的增大而減小，首傾和適當(dāng)角度的尾傾有利于減小水阻力，船舶在該工況下的最佳縱傾值為首傾2 m，具有5.94%的節(jié)能潛力；當(dāng)船舶在滿載吃水Dm=12 m時(shí)，水阻力隨著首傾值的增大而減小，隨著尾傾的增大而增加，船舶在航行過(guò)程中應(yīng)避免尾傾狀態(tài)，該工況下的最佳縱傾值為首傾2 m，具有4.41%的節(jié)能潛力。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)CFD數(shù)值模擬和船模試驗(yàn)驗(yàn)證，在保證船舶安全性與操縱性的范圍內(nèi)，利用調(diào)節(jié)船舶縱傾來(lái)降低船舶的阻力，提高節(jié)能減排率可行，并且觀察得到了3個(gè)主要結(jié)論：

1）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，利用CFD數(shù)值模擬船體周?chē)鲌?chǎng)并求解船體水阻力完全可行。

2）在排水量保持不變的情況下，縱傾狀態(tài)的變化對(duì)船體水阻力產(chǎn)生一定的影響，但具體的影響規(guī)律與船舶的裝載狀態(tài)有關(guān)，一般情況下首傾可降低阻力，但當(dāng)船舶處于設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)時(shí)適當(dāng)角度的尾傾也可以降低阻力。

3）實(shí)船運(yùn)行過(guò)程中存在多個(gè)工況，本文只研究了3個(gè)工況下的縱傾對(duì)阻力的影響規(guī)律，對(duì)其他狀態(tài)的具體規(guī)律還需要進(jìn)一步研究，以便能夠提供較為全面的數(shù)據(jù)指導(dǎo)實(shí)船航行。

[ 1 ]ZONG Wei. Cost analysis and market assessment of energy efficiency improvement for a vessel[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2014.

[ 2 ]CHENG Zhi-ning, CHEN Zheng-shou, HUANG Cong-han, et al. Research progress about additional hydrodynamic energysaving devices of ships[J]. Journal of Zhejiang Ocean University(Natural Science), 2016, 35(1): 70–75.

[ 3 ]ZHANG Xin-xue, ZHAO Feng, WANG Chuan-rong, et al. Research on the development strategy of green ship technology[J]. Engineering Sciences, 2016, 18(2): 66–71.

[ 4 ]PERI D, ROSSETTI M, CAMPANA E. Design optimization of ship hulls via CFD techniques[J]. Journal of Ship Research, 2001, 45(2): 140–149.

[ 5 ]QIU Bin-bin. Ship trim optimization[J]. China Ship Survey, 2014, (2): 70–74.

[ 6 ]HERMANS J. Optimization of inland shipping[J]. Journal of Scheduling, 2014, 17(4): 305–319.

[ 7 ]SHERBAZ SALMA, DUAN Wen-yang. Ship trim optimization: assessment of influence of trim on resistance of MOERI container ship[J]. The Scientific World Journal, 2014: 1–6.

[ 8 ]LIU Yi-fan, ZHANG Jian, ZHANG Yue-wen. Numerical model of ship energy efficiency with trim optimization[J]. Ship Engineering, 2015, 37(12): 31–34.

[ 9 ]ZHANG Jian. Study on ship energy efficiency based on trim optimization[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2015.

[10]HYUN-SUK PARK, DAE-WON SEO. A study on resistance performance for various trim conditions and bulb shapes on a container ship under slow steaming[C]//Proceedings of the ASME 2015 34th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, St.John’s Newfoundland, Canada, 2015.

[11]JISUN LEE, SEONOH YOO, SANGKYU CHOI, et al. Development and application of trim optimization and parametric study using an evaluation system (SoLuTion) based on the RANS for improvement of EEOI[C]//Proceedings of the ASME 2014 33th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, San Francisco, California, USA, 2014.

[12]MIAO Yu-yue, SUN Jiang-long. CFD analysis of hydrodynamic performance of propeller in open water[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2011, 6(5): 63–68.

A study on energy-saving for an oil tanker based on trim optimization

GAO Xian-jiao1, SUN Jiang-long1,2,3, HUANG Ben-shen1, ZHONG Cheng1
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Hubei Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering Hydrodynamics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Collaboration Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, CISSE, Shanghai 200240, China)

The purpose of this study is to optimize the resistance performance of an oil tanker, in this paper, the threedimensional ship model, calculation basin and structural meshing were performed by using the software of CATIA and ICEM according to the lines plan of the oil tanker, computational fluid dynamics software (FLUENT) was utilized to calculate the resistance of the oil tank in various trim conditions and drafts, then we compared the results calculated by numerical simulation with the towing tank test results to analyze the influence of trim variation on ship resistance performance. It is concluded that this method can find the optimal trim value in various drafts and provide practical advice for actual operating of the real ship, and as a result, it can improve the efficiency of energy-saving and emission reduction, and provide a new direction for the development of green ship.

structural mesh；numerical simulation；towing tank tests；trim optimization；energy-saving and emission reduction

U661.3

A

1672 – 7649(2017)08 – 0070 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.015

2016 – 09 – 12；

2016 – 10 – 09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474109，51679097)

高現(xiàn)嬌(1989 – )，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榕灤畡?dòng)力學(xué)。