船舶綠色節(jié)能技術(shù)試驗驗證方法淺析

周傳明， 張 立， 陳偉民

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 a.航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室；b.航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室， 上海 200135)

0 引 言

為有效應(yīng)對全球氣候變暖的問題，社會各界開展了廣泛的合作，采取了一系列節(jié)能減排措施。當(dāng)前，我國正在走綠色發(fā)展道路，將“碳達(dá)峰(2030年)”和“碳中和(2060年)”作為2個重要目標(biāo)。國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)一直致力于推動造船業(yè)和航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排工作的開展，將降低船舶碳排放作為重點(diǎn)管理方向，提出了多項指數(shù)、指標(biāo)，以促進(jìn)船舶設(shè)計和運(yùn)營階段綠色節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，主要包括船舶能效設(shè)計指數(shù)(Energy Efficiency Design Index, EEDI)、船舶能效營運(yùn)指數(shù)(Energy Efficiency Operation Index, EEOI)、現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(Energy Efficiency Existing Ship Index, EEXI)和碳強(qiáng)度指標(biāo)(Carbon Intensity Indicator, CII)等。這些指數(shù)、指標(biāo)對船舶綠色節(jié)能技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。

試驗技術(shù)是船舶綠色節(jié)能技術(shù)有效性的驗證方法之一。不同形式的綠色節(jié)能技術(shù)因技術(shù)機(jī)理不同，所需的試驗設(shè)備、試驗環(huán)境和試驗驗證方法有所不同。例如：槳前水動力節(jié)能裝置等節(jié)能技術(shù)的試驗驗證大多是在拖曳水池中進(jìn)行的；轂帽鰭等槳后節(jié)能裝置的試驗驗證通常是在空泡水筒中進(jìn)行的，以捕捉局部流場的影響。通過先進(jìn)的流場測量設(shè)備對艉部精細(xì)流場進(jìn)行測量研究，能從精細(xì)流場的角度深入研究流場的流動特征，并分析流動機(jī)理，如粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocity, PIV)試驗等。為降低尺度效應(yīng)對節(jié)能效果驗證的影響，可在湖中或海灣中進(jìn)行大尺度(甚至是實(shí)尺度)試驗。

基于此，本文參考IMO的MEPC.1/Cir.815通函中的船舶綠色節(jié)能技術(shù)分類(A類為降低主機(jī)功耗；B類為主機(jī)創(chuàng)新節(jié)能；C類為輔機(jī)創(chuàng)新節(jié)能)，簡要介紹不同形式的節(jié)能技術(shù)，分析當(dāng)前主要采用的節(jié)能技術(shù)有效性試驗驗證方法，根據(jù)不同節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)，對比分析不同試驗技術(shù)的適用性，為綠色節(jié)能技術(shù)有效性的試驗驗證提供參考。

1 主要的綠色節(jié)能技術(shù)

從減小阻力、提高推進(jìn)或燃油效率、回收能量和提供輔助推力等角度考慮，IMO的MEPC.1/Cir.815通函將主要的綠色節(jié)能技術(shù)分為A、B和C等3類。

1.1 A類節(jié)能技術(shù)

A類節(jié)能技術(shù)主要是指能遷移主機(jī)功率曲線，但不能從船舶總體性能中剝離開的節(jié)能技術(shù)。大部分A類節(jié)能技術(shù)都具有技術(shù)成熟度高、經(jīng)濟(jì)成本低和船舶所有人認(rèn)可度高等優(yōu)點(diǎn)，主要有以下幾類。

1.1.1 水動力節(jié)能裝置

水動力節(jié)能裝置的節(jié)能機(jī)理是改善流場，提升螺旋槳進(jìn)流的均勻度或減少能量損失，降低船舶能耗水平。

1) 槳前節(jié)能裝置：導(dǎo)管、預(yù)旋定子和導(dǎo)流鰭等槳前水動力節(jié)能裝置，通過改善船尾伴流場和螺旋槳附近流場的特性，提升螺旋槳的推進(jìn)性能，并減少流動分離的產(chǎn)生，甚至減小船舶總阻力。該裝置是目前商船上廣泛采用的一款節(jié)能裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，適于新造船和在役船舶改造采用，節(jié)能效果明顯。

2) 槳后節(jié)能裝置：轂帽鰭的節(jié)能原理是降低或消除槳轂附近的轂渦，減少空泡，進(jìn)而提升螺旋槳的敞水性能和船體的整體性能。自由旋轉(zhuǎn)葉輪是在螺旋槳后側(cè)用來回收螺旋槳損失的能量的節(jié)能裝置，其原理是利用自由旋轉(zhuǎn)葉輪的內(nèi)徑部分吸收螺旋槳艉流中的能量，帶動外徑部分旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生附加推力。

3) 節(jié)能舵：扭曲舵、舵球和舵推力鰭等是不同形式的節(jié)能舵，是利用槳舵干擾和流場改善等原理回收艉流中的能量，提升推進(jìn)效率或產(chǎn)生附加推力的節(jié)能裝置。

1.1.2 船型優(yōu)化

船型優(yōu)化是在船舶設(shè)計階段最常用的節(jié)能技術(shù)之一，其基本思路是以船體水動力性能為目標(biāo)函數(shù)，采用幾何變換技術(shù)，在一定的幾何約束條件下修改船體線型，結(jié)合優(yōu)化算法，最終獲得航行性能和經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)良的船體線型。

1.1.3 高性能推進(jìn)技術(shù)

高性能推進(jìn)技術(shù)能高效地利用主機(jī)提供的能量，以較高的效率將能量轉(zhuǎn)化為船舶推進(jìn)力。典型的高性能推進(jìn)技術(shù)主要包括螺旋槳優(yōu)化和新型推進(jìn)技術(shù)等。

1.1.4 防污減阻涂層

在船舶阻力成分中，表面摩擦力占比為30%～60%，從減小船體表面摩擦力的角度考慮，采用防污減阻涂層可促使船體表面更光滑，并減少污底的產(chǎn)生，降低船體表面的粗糙度，進(jìn)而達(dá)到減阻和降低能耗的目的。采用防污減阻涂層是一種成本低且收益良好的節(jié)能方式，但會受船舶所在航區(qū)的政策和標(biāo)準(zhǔn)的影響。

1.2 B類節(jié)能技術(shù)

B類節(jié)能技術(shù)是指不能體現(xiàn)在主機(jī)功率曲線中，但能降低推進(jìn)船舶所需功率的節(jié)能技術(shù)，主要包括氣層減阻和風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子。

1.2.1 氣層減阻

氣層減阻的工作原理是將空氣或廢氣等氣體引入船底，在船底表面形成“氣-水”混合的兩相流，通過減小液體黏性系數(shù)減小船體的摩擦阻力。

1.2.2 風(fēng)力助推轉(zhuǎn)子

利用轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時形成的壓力差產(chǎn)生助推力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。當(dāng)前該技術(shù)已在大型散貨船和油船上得到應(yīng)用，是滿足EEDI第三階段要求的手段之一。

1.3 C類節(jié)能技術(shù)

C類節(jié)能技術(shù)主要是指輔機(jī)節(jié)能技術(shù)，典型的有廢熱回收和太陽能等。目前C類節(jié)能技術(shù)在船上的應(yīng)用相對較少，主要原因是其提供的能量較少、改造成本較高、總體性價比較低等。

2 試驗驗證技術(shù)

船舶性能驗證主要在2種條件下進(jìn)行：一是在模型尺度下根據(jù)模型與實(shí)船的相似關(guān)系對實(shí)船的性能進(jìn)行預(yù)報；二是在實(shí)船尺度下進(jìn)行分析驗證。對于驗證方法而言，雖然計算流體力學(xué)方法具有虛擬程度高、周期短等優(yōu)點(diǎn)，可為船舶節(jié)能技術(shù)的有效性驗證提供較好的參考，但物理試驗技術(shù)仍是當(dāng)前研究和驗證船舶性能最可靠的方法。

2.1 模型尺度試驗

2.1.1 拖曳水池試驗

拖曳水池試驗是在拖曳水池中對模型尺度下的船模、局部構(gòu)件等的水動力性能進(jìn)行研究的試驗技術(shù)，可復(fù)現(xiàn)性較高，其測試結(jié)果往往作為參考基準(zhǔn)，是驗證A類節(jié)能技術(shù)的主要手段，是當(dāng)前水動力節(jié)能裝置有效性驗證的主要方式。通過開展該試驗，一方面能比較不同節(jié)能裝置的優(yōu)劣，為節(jié)能裝置設(shè)計提供指導(dǎo)，另一方面能計算船舶的航速，使船舶在實(shí)際運(yùn)營過程中達(dá)到綠色標(biāo)準(zhǔn)。

圖1為加裝組合式水動力節(jié)能裝置的某油船試驗船模，該試驗是在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所拖曳水池內(nèi)進(jìn)行的。

圖1 加裝組合式水動力節(jié)能裝置的某油船試驗船模

2.1.2 空泡水筒試驗

空泡水筒或循環(huán)水槽等裝置可用來進(jìn)行局部流場測試，通過模擬局部位置的流場，將目標(biāo)物體放置于流場中，觀測船舶、水下物體和水動力節(jié)能裝置或推進(jìn)器等的敞水性能、空泡性能、噪聲和振動特性等。局部流場試驗適于在局部流場、空化現(xiàn)象等物理問題的驗證和機(jī)理研究中應(yīng)用，空泡水筒試驗同樣適于在A類節(jié)能技術(shù)研究中應(yīng)用，如螺旋槳轂帽鰭的節(jié)能效果驗證和螺旋槳或舵的水動力性能驗證等可在空泡水筒或循環(huán)水槽中進(jìn)行。

圖2為某散貨船的螺旋槳轂帽鰭節(jié)能效果驗證試驗?zāi)Ｐ停撛囼炇窃谏虾４斑\(yùn)輸科學(xué)研究所空泡水筒內(nèi)進(jìn)行的。

圖2 某散貨船的螺旋槳轂帽鰭節(jié)能效果驗證試驗?zāi)Ｐ?/p>

2.1.3 精細(xì)流場測試

雖然通過開展水池試驗或局部流場測試能測量得到船模，以及槳、舵和附體等裝置的力學(xué)性能，但很難測得流場細(xì)節(jié)的矢量速度，這會給節(jié)能裝置機(jī)理研究帶來不便。隨著以PIV方法為代表的精細(xì)流場測試技術(shù)的不斷發(fā)展，將示蹤粒子播撒到液體中，采用光學(xué)方法追蹤流體的流動，能從精細(xì)流場的角度研究艉流或節(jié)能裝置附近水流的流動特征和流動機(jī)理。因此，精細(xì)流場測試技術(shù)也適于在A類節(jié)能技術(shù)的有效性試驗驗證中應(yīng)用。圖 3為有無槳前節(jié)能裝置的PIV流場測試結(jié)果對比，其中為螺旋槳半徑。

a) 無槳前節(jié)能裝置的PIV測試結(jié)果

b) 有槳前節(jié)能裝置的PIV測試結(jié)果圖3 有無槳前節(jié)能裝置的PIV流場測試結(jié)果對比

2.2 實(shí)尺度試驗

2.2.1 實(shí)船試航

實(shí)船試航方法可用于對新造船進(jìn)行性能驗收和理論研究等，可將實(shí)船試航結(jié)果與模型試驗結(jié)果相結(jié)合，檢驗?zāi)Ｐ驮囼灥念A(yù)報精度。節(jié)能技術(shù)的有效性驗證結(jié)果最終要反映到實(shí)船的效率提升上，實(shí)船試航對節(jié)能技術(shù)的效果驗證主要通過同航線姊妹船和船舶節(jié)能改裝前后的實(shí)際節(jié)能效果對比實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)船試航是檢驗所有節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果的方式之一。

在滿足國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference,ITTC)試航條件的實(shí)船上進(jìn)行試航驗證，某超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)在安裝槳前節(jié)能裝置Mewis Duct(見圖4)之后，經(jīng)過航速修正，發(fā)現(xiàn)其在部分航速下的節(jié)能效果明顯。

圖4 某船安裝的槳前節(jié)能裝置Mewis Duct

2.2.2 實(shí)船PIV試驗

實(shí)船PIV試驗可用來測量實(shí)船艉部流場，具有重要的實(shí)際研究價值，尤其是能分析實(shí)尺度高雷諾數(shù)下的艉流和螺旋槳空泡性能。但是，實(shí)船PIV試驗是一種成本較高的試驗方法，主要用來研究和驗證A類節(jié)能技術(shù)的機(jī)理和節(jié)能效果。圖5為實(shí)船試航和實(shí)船PIV測試示意圖。

a) 實(shí)船試航場景

b) 實(shí)船PIV測試示意圖1

c) 實(shí)船PIV測試示意圖2圖5 實(shí)船試航和實(shí)船PIV測試示意圖

3 綠色節(jié)能技術(shù)試驗驗證方法對比

常見的船舶綠色節(jié)能技術(shù)試驗驗證方法及其設(shè)備、設(shè)施、精確度、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢匯總見表1。

表1 常見的船舶綠色節(jié)能技術(shù)試驗驗證方法匯總

試驗技術(shù)在驗證船舶綠色節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果方面具有重要作用，但仍存在一定的限制。在模型尺度下研究A類和B類節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果時，由于尺度效應(yīng)的存在，會導(dǎo)致試驗驗證結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)能效果存在一定的差異。因此，模型尺度試驗的分析結(jié)果需與實(shí)船數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，二者互為參照。采用精細(xì)流場測試方法研究節(jié)能機(jī)理，能指導(dǎo)科研人員進(jìn)行節(jié)能技術(shù)開發(fā)，但精細(xì)流場試驗的成本較高，周期較長，因此難以商用，未來仍主要作為實(shí)驗室研究技術(shù)。

實(shí)尺度試驗可用來驗證A類、B類和C類節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果，可通過對實(shí)尺度試驗結(jié)果與模型尺度試驗結(jié)果進(jìn)行分析，提高模型試驗的預(yù)報精度。但是，在進(jìn)行實(shí)尺度試驗時，受多種環(huán)境因素的影響，測試條件往往是一次性的，難以復(fù)現(xiàn)。

4 結(jié) 語

目前，常見的船舶綠色節(jié)能技術(shù)主要通過提升船舶的推進(jìn)性能、降低船舶的航行阻力和提供輔助推力等手段達(dá)到降低船舶航行所需能量、節(jié)省燃油消耗的目的。在對不同節(jié)能技術(shù)的有效性進(jìn)行試驗驗證時，應(yīng)從適用性、經(jīng)濟(jì)成本和周期等多個角度考慮，選用合適的試驗技術(shù)預(yù)報和驗證節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果。