內(nèi)支線集裝箱船最佳航態(tài)研究

姜偉　秦江濤　馮上民　裴志勇　吳衛(wèi)國

摘 要：為有效提升船舶能效，本文針對內(nèi)支線敞口集裝箱船，通過數(shù)值計算分析，建立各典型載況及航速下船舶阻力與縱傾角度間的數(shù)學(xué)模型，從而在營運中通過航態(tài)最優(yōu)化來實現(xiàn)船舶節(jié)能。

關(guān)鍵詞：內(nèi)支線集裝箱船;最佳航態(tài);船舶能效

中圖分類號：U674.13+1? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0030-03

1 研究背景

現(xiàn)如今，船舶工業(yè)進(jìn)入到日益大型化和多樣化的時代，造船業(yè)界都在通過各種辦法來提升船舶的能效，各種新技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為國際海事界的共識。船舶能效的提升可有多種手段：如節(jié)能船型優(yōu)化、節(jié)能附體開發(fā)、船舶動力廢熱回收與利用、電力系統(tǒng)優(yōu)化管理、船舶航運管理方面的航線優(yōu)化等，也即船舶能效貫穿于船舶的設(shè)計、制造和營運的整個生命周期。對于已投入營運的船舶，設(shè)計與建造階段的節(jié)能措施不再適用，能效提升技術(shù)主要包括航行操縱管理（如合理配載以實現(xiàn)最佳航態(tài)）與船體和螺旋槳工況管理（如船體污底管理）。其中最佳航態(tài)是營運船舶能效提升的最有效手段，以最佳航態(tài)營運，可有效節(jié)能減排。

關(guān)于船舶航態(tài)對阻力、快速性以及能耗的影響研究很早就開始了，上海船舶運輸科學(xué)研究所對散貨船的縱傾試驗表明最佳航態(tài)可節(jié)油4.0%-7.3%;大連理工大學(xué)對大型遠(yuǎn)洋貨船的模型試驗與實船自航結(jié)果表明最佳縱傾可實現(xiàn)日節(jié)油1.117t;中國船舶科學(xué)研究中心對七萬噸級散貨輪在不同吃水狀態(tài)不同縱傾的27種方案系列試驗表明最佳縱傾對船舶阻力的影響最大可達(dá)17%。近年來，針對最佳縱傾的研究逐漸從成本高昂的模型試驗向低成本、高效率的數(shù)值模擬過渡，大連海事大學(xué)對靈便型游輪阻力的數(shù)值計算表明，最佳縱傾可降低靜水阻力1.9%左右，排放指數(shù)可降低0.8%;華中科技大學(xué)對46000 t成品油輪的數(shù)值計算表明縱傾優(yōu)化可降低船舶阻力4%-5%;武漢理工大學(xué)對開發(fā)的寬扁肥大型江海直達(dá)船阻力計算表明，最佳縱傾可減阻6.5%。

一般來說，通過縱傾調(diào)整實現(xiàn)船舶能耗降低既可適用于中低速運輸船舶，也適用于較高航速的半滑行、滑行狀態(tài)的船舶。而且縱傾調(diào)整在諸多船舶節(jié)能措施中不影響船舶的正常營運，僅通過合理配載或壓載來調(diào)整船舶浮態(tài)，從而使船舶在特定排水量下以最佳航態(tài)來航行，因此是一個低風(fēng)險、低成本的高效節(jié)能措施。在本文研究中，對一航行于南京龍?zhí)陡壑辽虾Ｑ笊礁坶g的256TEU集裝箱船進(jìn)行了系列載況不同航速下的阻力計算分析，得到一系列不同縱傾角對應(yīng)的船舶阻力曲線，可得到船舶阻力最小時的最佳縱傾，裝載時盡量使船舶浮態(tài)接近最佳縱傾角度，或通過壓載水調(diào)整至最佳縱傾角，這樣船舶在航行時阻力較小，燃油消耗較低，可實現(xiàn)節(jié)能減排。

2 最佳航態(tài)計算分析

2.1研究對象

研究對象為一航行于南京龍?zhí)陡壑辽虾Ｑ笊礁坶g的256TEU敞口集裝箱船。該船主尺度如表1所示。本船為雙底、雙舷、單甲板結(jié)構(gòu)，雙機(jī)雙槳推進(jìn)的尾機(jī)型敞口集裝箱船，具有球首雙尾鰭船型。主船體由7道水密艙壁劃分為首尖艙（兼壓載水艙）、首泵艙、第一貨艙（頂邊艙設(shè)壓載水艙、平臺下為淡水艙）、第二貨艙（頂邊艙設(shè)壓載水艙）、第三貨艙（頂邊艙設(shè)壓載水艙）、機(jī)艙、淡水艙、舵機(jī)艙等。

2.2阻力數(shù)值預(yù)報方法

對于特定船型，其船舶阻力與載況（吃水和縱傾角）和航速息息相關(guān)，在給定載況與航速條件下的船舶阻力可采用基于求解RANS方程的數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)報，數(shù)值求解中考慮了船體隨航速的縱傾與升沉變化。

2.2.1數(shù)值計算方法

2.2.1.1控制方程

船體繞流場中的流體為不可壓縮粘性流，符合質(zhì)量守恒定律與動量守恒定律，分別滿足流體的連續(xù)性方程和納維爾-斯托克斯方程（Navier-Stokes方程，簡稱NS方程）。

由于湍流在空間域時間域中的高頻脈動，工程中難以通過直接求解NS方程的方法進(jìn)行流場模擬，而往往采用求解時均化后的NS方程，即將NS方程取雷諾時均（RANS方程）是湍流場求解中通常采用的方法。由于RANS方程中出現(xiàn)額外的雷諾應(yīng)力項，導(dǎo)致方程組數(shù)量少于未知物理量個數(shù)從而方程組不封閉，因此RANS方程的求解需增加額外的輸運方程或雷諾應(yīng)力張量，也即湍流模型。目前常見基于RANS方程的湍流模型主要包括渦粘模型和雷諾應(yīng)力模型。

2.2.1.2湍流模型

如前所述，為使方程組封閉，需要對雷諾應(yīng)力項建立對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來封閉方程組。Boussinesq提出了重要的渦粘假定，其認(rèn)為雷諾應(yīng)力與平均速度梯度滿足如下方程：

假定引入了湍動粘度項，因此雷諾應(yīng)力求解的關(guān)鍵轉(zhuǎn)到湍流粘度的確定上來。目前的工程應(yīng)用中綜合考慮計算效率與精度，通常采用兩方程湍流模型，如k-ε模型及k-ω模型。本文采用建立在湍流充分發(fā)展基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

2.2.1.3近壁處理方法

由于粘性與壁面影響導(dǎo)致出現(xiàn)邊界層，其中流動參數(shù)沿壁面法向梯度較大需要高密度網(wǎng)格以捕捉流場特征，因此為降低網(wǎng)格需求工程應(yīng)用中通常在近壁面流場區(qū)域采用壁面函數(shù)方法建立壁面上物理量與湍流核心區(qū)的流場參數(shù)建立聯(lián)系。

2.2.1.4自由面處理

自由液面是船體繞流場中空氣與水的交界面。因船體運動時自由面形狀和位置發(fā)生改變，因此自由面求解是流場求解的一部分。自由面的處理方法主要包括界面跟蹤法和界面捕捉法，本文采用流體體積法來捕捉自由面形狀。

2.2.1.5航態(tài)求解方法

由于船體水動力分布的變化，有航速船舶的航態(tài)通常與靜浮時的情形不同，因而航態(tài)是流場求解的一部分。本文根據(jù)船舶垂向受力與重力平衡來求解其升沉狀況，根據(jù)船舶縱向力矩與縱傾回復(fù)力矩平衡來求解其縱傾狀況，從而實現(xiàn)船舶航態(tài)的求解。

2.2.2 數(shù)值計算模型

2.2.2.1坐標(biāo)系

采用右手慣性坐標(biāo)系統(tǒng)，原點定義在靜吃水面、縱中剖面與船中剖面的交點，x軸指向船尾為正，y軸指向右舷為正，z軸豎直向上為正。

2.2.2.2計算域與邊界條件

由于采用隨船坐標(biāo)系，認(rèn)為水流由前方勻速流向船舶，同時假定船舶繞流場對稱，數(shù)值模型以半個船體及周圍流體域為對象。計算域的船體邊界采用無滑移壁面邊界條件;計算域采用長方體形狀，船前邊界距船體1倍船長，側(cè)面邊界距船體1.5倍船長，頂面距甲板0.5倍船長，底面距靜水面約2倍船長，均采用速度入口邊界條件;船后邊界距船體3倍船長，采用壓力出口邊界條件;計算域中縱中剖面所在平面為對稱面。船體模型如圖1，邊界條件如圖2所示。

2.2.2.3離散網(wǎng)格

計算域采用切割體網(wǎng)格形式進(jìn)行計算域的離散，船體附近則采用棱柱層網(wǎng)格形式以保證壁面函數(shù)與流場捕捉對近壁面網(wǎng)格尺度的要求;同時為保證流場捕捉對船體、自由面附近網(wǎng)格密度的要求，在船體與無擾動的靜水面附近采用若干網(wǎng)格密度盒（六面體形狀）進(jìn)行網(wǎng)格加密。部分剖面與無擾動靜水面的網(wǎng)格分布如圖3所示。

2.3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

針對不同航速與重心縱向位置（與縱傾角對應(yīng)）的內(nèi)支線集裝箱船進(jìn)行了船舶繞流場數(shù)值模擬，并預(yù)報其船舶阻力。航速范圍為7-13節(jié)（相應(yīng)傅氏數(shù)變化從0.119到0.220），船舶重心縱向位置以正浮浮心為基準(zhǔn)分別取-3%L，-2%L，-1%L，0%L，1%L與2%L（L為船長）等6種情況。

通過對不同航態(tài)與航速工況下的內(nèi)支線集裝箱船繞流數(shù)值模擬，可預(yù)報船舶阻力以及船體表面壓力、自由面波形等流場細(xì)節(jié)。

2.3.1 船舶阻力

不同工況的船舶阻力數(shù)值計算結(jié)果如表2所示，船舶阻力關(guān)于航速與縱傾角（尾傾為正）的變化規(guī)律見圖4所示。

由不同航速不同縱傾角的船舶總阻力系數(shù)曲線可見，對于某一營運航速，隨著船舶浮態(tài)由首傾向尾傾變化，其阻力一般都是先降低再上升，在某一合適的縱傾角時船舶的阻力會最低;隨著航速的提高，最小阻力所對應(yīng)的縱傾角逐漸增大。在內(nèi)支線船舶營運過程中，可利用上述計算結(jié)果使得船舶保持在最佳縱傾狀態(tài)，從而有效實現(xiàn)節(jié)油。

2.3.2流場細(xì)節(jié)

某典型工況船舶繞流場的數(shù)值計算得到的船體表面壓力（系數(shù)）分布云圖如圖5所示，其中壓力系數(shù)定義為：

式中，p為壓力，P0為大氣壓力，z為水深—即云圖中的壓力系數(shù)Cpd為去掉了重力與大氣壓強(qiáng)影響的水動壓力（僅顯示水線以下船體部分）。由壓力分布云圖可見，首傾時相當(dāng)于船舶前體變的更為肥大，因此首部進(jìn)流段縮短導(dǎo)致橫向流動與舭渦較為嚴(yán)重，導(dǎo)致較低的首部壓力以及嚴(yán)重的埋艏現(xiàn)象，從而使得船舶阻力增加。

數(shù)值模擬得到的興波波形如圖6所示，其中的波高以船長為特征尺度進(jìn)行了無量綱化。由興波波形圖可見，首傾增大了前體的排水體積導(dǎo)致興波現(xiàn)象更為明顯，首波峰與前肩位置的波谷幅值與正浮與尾傾工況相比明顯增大。

2.3.3計算結(jié)果分析與最佳縱傾

根據(jù)內(nèi)支線集裝箱船阻力隨航速與縱傾角變化的計算結(jié)果可見，在給定航速下（營運航速）船舶阻力隨總傾角變化較大，存在著最佳縱傾角度θopt，此時船舶的阻力最小。該船不同航速的最佳縱傾角總結(jié)于圖7。

3 結(jié)論

“堅持把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要著力點”是國家規(guī)劃綱要明確提出的目標(biāo)，本文針對內(nèi)支線敞口集裝箱船，通過數(shù)值計算分析，建立各典型載況及航速下船舶阻力與縱傾角度間的數(shù)學(xué)模型，從而在營運中通過航態(tài)最優(yōu)化來實現(xiàn)船舶節(jié)能，有效提升船舶能效。

該技術(shù)方案在航行于南京龍?zhí)陡壑辽虾Ｑ笊礁坶g的256TEU敞口集裝箱船上進(jìn)行了實船應(yīng)用驗證。船舶裝載時，根據(jù)本航次載貨量和計劃航速狀況通過阻力與縱傾角間的數(shù)學(xué)模型可得到船舶的最佳縱傾角，按此最佳縱傾角指導(dǎo)船舶裝載，使得航行時船舶阻力最小，從而實現(xiàn)較低燃油消耗。按照最佳航態(tài)指導(dǎo)船舶營運后，航次燃油節(jié)省3.5%以上，起到了良好的效果，對提升船舶產(chǎn)品內(nèi)在競爭力，具有積極的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。