基于船舶水動力性能的節(jié)能技術研究回顧

穆亞娣, 陳偉民, 董國祥

(上海船舶運輸科學研究所有限公司 a.航運技術與安全國家重點實驗室;b.航運技術交通行業(yè)重點實驗室， 上海 200135)

0 引 言

近年來，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)加快了實施綠色造船和限制船舶溫室氣體排放的步伐。2018年4月召開的IMO海上環(huán)境保護委員會(Marine Environment Protection Committee，MEPC)第72屆會議通過了《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，對國際航運業(yè)應對氣候變化的行動做了總體安排：要求國際航運業(yè)的溫室氣體排放盡快達到峰值并下降，為各類船型確定了各個階段能效提高的百分比；要求國際航運業(yè)平均每單位運輸活動的CO排放量到2030年相比2008年至少下降40%，到2050年相比2008年下降70%。2020年11月召開的MEPC第75屆會議批準了《國際防止船舶造成污染公約》附則VI的修正案，針對正在運營的船舶提出了技術能效和營運能效要求，即現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(Energy Efficiency Existing Ship Index,EEXI)和碳強度指標(Carbon Intensity Indicator,CII),并按年度營運能效對船舶進行了分級(A～E級)。EEXI類似于新造船的能效設計指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)，目前EEXI要求的各船型設定值基本上等同于2022年對新造船提出的EEDI要求值。該規(guī)定的執(zhí)行使得世界各國紛紛加大船舶節(jié)能減排技術研究力度，從技術性和操作性能效技術等多方面出發(fā)，為新造船和正在營運的船舶提供能效提升方案，助力船舶節(jié)能減排和能效利用水平的提升。

廣義上看，船舶節(jié)能減排的目標是以盡可能低的燃料消耗和排放水平獲得最大的運輸效益，在具體實踐中，一般可從提高主機效率、采用清潔燃料、安裝尾氣回收凈化裝置和優(yōu)化船舶水動力性能等多個方面入手，實現(xiàn)船舶節(jié)能減排。船舶水動力性能優(yōu)化設計是有效實現(xiàn)船舶節(jié)能降耗的技術手段之一，主要通過對船型和推進器進行優(yōu)化設計，減小船舶的航行阻力，提高船舶的推進效率和機槳匹配度，實現(xiàn)船舶性能提升，達到節(jié)能減排的目的。船型優(yōu)化技術通常應用于新船型開發(fā)階段，通過對船體的阻力性能和推進性能進行深度優(yōu)化設計，形成性能優(yōu)良的船型方案，具有一次投入獲得長久收益的特點，是優(yōu)化船型水動力性能的首選技術手段。對于運營中的船舶，通常采用在船尾螺旋槳附近加裝水動力節(jié)能裝置的方式，通過節(jié)能裝置的整流作用改善螺旋槳的進流條件，回收艉流損失的能量，提高船舶的推進效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。船舶水動力節(jié)能裝置具有結構簡單、便于安裝和制造安裝成本低等特點，節(jié)能技術相對成熟，節(jié)能效果顯著，也適于新船采用，可作為改善船舶水動力性能的補充措施，在實踐中深受船舶所有人的青睞。本文主要對船舶線型優(yōu)化技術的內涵、設計流程和關鍵要素，以及船舶水動力節(jié)能裝置的產品類型、節(jié)能原理和設計要素等進行分析總結，通過綜合比較，探討不同節(jié)能技術的應用效果，為船舶水動力節(jié)能技術的研究和設計提供參考。

1 基于船舶水動力的船型優(yōu)化技術

船舶的水動力性能對船舶能效具有深遠的影響，優(yōu)秀的船體線型設計能保證船舶在整個運營周期內保持相對較好的航行性能，降低能耗，減少溫室氣體排放。為此，在新船型設計開發(fā)階段，船體線型水動力性能優(yōu)化設計是船舶設計人員關注的重點。目前常用的船型設計技術主要有基于專家經(jīng)驗的船型設計技術和基于優(yōu)化平臺的船型設計技術2種。這2種技術均需借助船舶計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術，其中：基于專家經(jīng)驗的船型設計技術側重于通過對船舶流場的分布進行定性判斷，結合船舶阻力和自航因子計算結果對船舶進行改型設計；基于優(yōu)化平臺的船型設計技術主要通過專用軟件搭建船體變形、CFD評估和迭代設計自動化流程，實現(xiàn)設計空間尋優(yōu)和深度設計優(yōu)化。這2種技術各有特點，在實踐中需根據(jù)優(yōu)化目標、可用的計算資源和專家經(jīng)驗等選擇合適的方法。

1.1 基于專家經(jīng)驗的船型優(yōu)化設計技術

基于專家經(jīng)驗的船型優(yōu)化設計技術主要是基于母型船和系列船型資料，結合船舶設計師的經(jīng)驗，對初始船型方案進行選型和設計，并針對初始船型方案開展船舶航行性能CFD數(shù)值計算分析，提取船行波、船體表面壓力梯度和艉部流場分布等關鍵區(qū)域的流場信息，結合專家經(jīng)驗對艏艉區(qū)域的線型進行改型設計，經(jīng)過反復迭代改進，逐步改善船體周圍流場的品質和船型性能，最終形成滿足設計要求的船型方案，技術流程見圖1。這種船型優(yōu)化設計技術已有幾十年的發(fā)展歷史，在主流船型選型優(yōu)化設計中取得了良好的效果，對船舶航行性能的持續(xù)改進起到了重要的推動作用。在船型設計的不同階段，比如設計初期的快速選型階段，設計中期的船舶阻力優(yōu)化、推進性能優(yōu)化、載況優(yōu)化和船型綜合航行性能(包括快速性、耐波性和操縱性等)優(yōu)化等階段均具有良好的應用效果，目前仍是船型設計開發(fā)中采用的主要設計方法之一。據(jù)統(tǒng)計，采用該方法進行船體線型和螺旋槳設計，可使船舶的推進效率提高6%～8%。

圖1 基于專家經(jīng)驗的船型優(yōu)化設計技術流程圖

該方法的優(yōu)點是能借助專家經(jīng)驗快速框定船型方案的選擇范圍，能針對設計問題快速做出反應，可結合專家經(jīng)驗和船舶CFD技術對船型性能進行深度優(yōu)化，對船舶航行性能的改善效果較好；缺點是優(yōu)化設計依賴于船體母型數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗的積累，在船型深度優(yōu)化中需進行船體改型、CFD計算評估和結果分析評價等多輪次迭代，設計周期相對較長。

1.2 基于優(yōu)化平臺的船型優(yōu)化設計技術

隨著船體參數(shù)化建模技術和船舶CFD技術的不斷發(fā)展，近些年出現(xiàn)了基于船型優(yōu)化平臺進行船型優(yōu)化設計的技術路徑選項。簡而言之，就是通過整合船舶自動幾何重構、CFD數(shù)值計算和優(yōu)化算法等技術，獲取基于軟件平臺的船型自動優(yōu)化技術。常見的船體幾何變形功能是通過參數(shù)化建模實現(xiàn)船體幾何自動重構，而參數(shù)化建模方法分為半?yún)?shù)化方法和全參數(shù)化方法2種，可分別實現(xiàn)船體的局部變形和全局整體變形。船舶CFD計算作為底層支撐，用于實現(xiàn)對新船型性能的數(shù)值評估，獲得船型性能量化指標。常用的優(yōu)化算法有隨機搜索算法、遺傳算法和模擬退火法等，用優(yōu)化算法替代人工經(jīng)驗，根據(jù)每一步的計算結果進行下一步的改型參數(shù)確認，經(jīng)過大量的計算方案迭代設計，從眾多方案中找出最優(yōu)方案，實現(xiàn)對船舶性能的優(yōu)化改進。圖2為基于優(yōu)化平臺的船型優(yōu)化技術流程圖。

圖2 基于優(yōu)化平臺的船型優(yōu)化技術流程圖

相比傳統(tǒng)的船型設計方法，該方法的突出特點是將基于目標的最優(yōu)技術引入船舶設計領域，即通過數(shù)學方法研究船型優(yōu)化設計問題，與船體自動重構和CFD技術相結合，使得船型知識化設計模式成為一種可能。傳統(tǒng)的船型優(yōu)化設計方法主要依賴專家的設計經(jīng)驗，結合船型CFD分析和模型試驗結果對船體線型、螺旋槳進行匹配設計。該方法的優(yōu)點是能面向整個船型設計空間進行自動尋優(yōu)，有利于對船型性能進行深度優(yōu)化；同時，優(yōu)化設計過程以性能為目標，通過優(yōu)化算法驅動設計，能在一定程度上解決船型設計高度依賴專家的經(jīng)驗和知識儲備的問題。該方法的缺點是在優(yōu)化設計過程中會生成大量船型樣本點，CFD數(shù)值計算需要大量的計算機硬件資源做支撐；同時，優(yōu)化算法的選擇、參數(shù)的選取和船型幾何變型參數(shù)的設置等也需要設計人員具有大量的經(jīng)驗積累，只有如此才能達到較好的效果。據(jù)統(tǒng)計，采用集成平臺實現(xiàn)船型深度優(yōu)化設計，可在依靠人工經(jīng)驗進行調整的基礎上，進一步使船型性能提升2%～5%。

2 基于船舶水動力的節(jié)能附體節(jié)能技術

船型優(yōu)化設計技術能有效提升船舶的水動力性能，實現(xiàn)船舶節(jié)能降耗，但這種技術主要適用于新船建造階段。對于營運中的船舶而言，船體外形已相對固定，其能效設計改造可采用在船體表面靠近螺旋槳的部位加裝水動力節(jié)能裝置的方式實現(xiàn)，通過節(jié)能裝置的整流作用改善螺旋槳的進流條件，回收損失的螺旋槳艉流能量，達到節(jié)能增效的目的。由于節(jié)能裝置具有結構簡單、加工方便、成本低和節(jié)能效果優(yōu)良等優(yōu)點，既適用于新船安裝，又適用于舊船改造，在工程應用中備受船舶所有人的青睞。

2.1 常見的水動力節(jié)能裝置分類

船舶水動力節(jié)能裝置有很多種，可根據(jù)安裝位置的不同分為槳前節(jié)能裝置和槳后節(jié)能裝置。

1) 槳前節(jié)能裝置一般安裝在螺旋槳前部，以改善螺旋槳進流質量，提高槳盤面伴流場的均勻度，產生與螺旋槳旋轉方向相反的預旋流，提高螺旋槳的推進效率。此類裝置包括前置整流導管、前置預旋導輪、槳前整流鰭和節(jié)能軸支架等，其中前置整流導管和前置預旋導輪的節(jié)能效果最突出，二者為常用的槳前節(jié)能裝置。

2) 槳后節(jié)能裝置一般安裝在螺旋槳后部，可實現(xiàn)對艉部壓力場的調節(jié)，回收艉流周向旋轉能量，衰減或分割各類漩渦，起到減小漩渦阻力和提供附加推力的作用，實現(xiàn)推進效率提升和節(jié)能增效。此類節(jié)能裝置包括舵球、轂帽鰭、舵附推力鰭和扭曲舵等。

在實際設計中，可根據(jù)不同船型選擇不同的節(jié)能裝置，根據(jù)不同節(jié)能裝置的特點進行適配設計；同時，可對2種或2種以上的節(jié)能裝置進行組合設計，安裝于槳前和槳后的不同位置處，獲得更好的節(jié)能效果。

2.2 槳前節(jié)能裝置

2.2.1 前置整流導管

前置整流導管是一種常用的槳前節(jié)能裝置，一般安裝于船尾中縱剖面兩側，偏置于螺旋槳軸上方，由2個“C”型半圓環(huán)形導流管構成，半圓環(huán)采用機翼剖面設計成前大后小的喇叭口形狀，導管中軸線與船體基線具有一定的后傾角度，以獲得優(yōu)良的整流效果。前置整流導管能提高船舶的推進效率，減小螺旋槳激振力，改善螺旋槳空泡問題，尤其適用于散貨船和油船等肥大型船的設計和改造中。由于肥大型船的艉部線型變化劇烈，艉部易出現(xiàn)水流分離現(xiàn)象，常產生較強的舭部旋渦，導致槳盤面處易出現(xiàn)“鉤”狀伴流特征。螺旋槳在這種伴流場中工作，不僅會導致其推進效率下降，而且可能誘發(fā)空泡現(xiàn)象，引起船尾產生劇烈振動等。圖3為前置整流導管幾何外形和整流效果示意圖。加裝前置整流導管能有效改善螺旋槳盤面的伴流分布，改善螺旋槳進流條件，提高螺旋槳的推進效率，其工作原理如下：

(a) 幾何外形

(b) 整流效果圖3 前置整流導管幾何外形和整流效果示意圖

1) 由于導管采用了前大后小的喇叭口設計，水流經(jīng)過導管之后，其速度在導管后方出口區(qū)域得到增加，降低了船體舭渦的影響，使得水流變得更加均勻，可改善螺旋槳的來流質量，提高其推進效率；

2) 減少艉部水流分離，使紊亂的水流變得相對平穩(wěn)，更加有序地流向螺旋槳，減小螺旋槳和船體的激振力，提升船舶的舒適度；

3) 采用左右不對稱的半圓環(huán)組合，可調整螺旋槳進流的預旋程度，獲得與螺旋槳旋轉方向相反的水流，減少艉流的旋轉能量損失，提高螺旋槳的推進效率；

4) 半圓環(huán)采用機翼剖面設計，采用合適的安裝角度，可產生船舶附加推力，減小船舶的航行阻力。

前置整流導管具有結構簡單、安裝方便和節(jié)能效果好等優(yōu)點，據(jù)不完全統(tǒng)計，該型節(jié)能裝置在近30 a內已在上千艘單槳船上得到應用。根據(jù)海上試航和實際使用情況，綜合運載情況、航速和海況等因素，發(fā)現(xiàn)該裝置的節(jié)能效果可達3%～6%。

2.2.2 前置預旋導輪

前置預旋導輪由1個圓形或半圓形導管和多個內導葉片構成，安裝于螺旋槳前方、螺旋槳軸上方，導葉兩端分別與導管的內壁和艉部船體表面相連，導葉外周為圓型導管。導管和導葉一般都采用機翼剖面設計，導管的外形一般為前大后小的喇叭口，導葉采用多片式設計，沿周向具有不同的安裝角度。針對不同的船型，需對其導管直徑、導葉周向分布角度和葉片攻角進行適配設計，以改善螺旋槳上半平面入流的均勻性，產生與螺旋槳旋轉方向相反的預旋流，減少螺旋槳艉流旋轉能量損失，提高螺旋槳的推進效率。若葉片角度設計合理，還可產生附加推力，實現(xiàn)可觀的節(jié)能效果。圖4為前置預旋導輪幾何外形和整流效果示意圖。

(a) 幾何外形

(b) 整流效果圖4 前置預旋導輪幾何外形和整流效果示意圖

前置預旋導輪具有安裝拆卸便捷、牢固可靠和便于檢修等優(yōu)點，無論是對于正在運營的船舶而言，還是對于新造船舶而言，都能很方便地安裝。根據(jù)模型試驗和實船應用情況，綜合運載情況、航速和海況等因素，發(fā)現(xiàn)該裝置的節(jié)能效果可達3%～8%。

2.3 槳后節(jié)能裝置

2.3.1 舵球

舵球是一種安裝于槳后舵葉表面的節(jié)能裝置，具有流線型的回轉體特征，頭部緊挨著螺旋槳槳轂，其中心線與螺旋槳軸線重合。舵球的存在可消除螺旋槳槳轂后方的轂渦，減少槳轂后方紊亂的水流，減少漩渦能量的流失,提高螺旋槳的推進效率，實現(xiàn)船舶節(jié)能增效。圖5為舵球幾何外形和整流效果示意圖。舵球的節(jié)能原理如下：

a) 幾何外形

b) 整流效果圖5 舵球幾何外形和整流效果示意圖

1) 受螺旋槳旋轉作用的影響，槳后水流會產生切向誘導速度，螺旋槳槳轂處會產生轂渦，引起艉流旋轉能量損失，安裝舵球可有效削減槳后低壓水流區(qū)，強迫槳轂后方水流沿舵球表面流動，在黏性作用下遏制槳轂后方旋轉水流和漩渦的產生，達到整流的目的；

2) 舵球的存在可將槳后水流向外半徑排擠，增大水流的截面積，減小螺旋槳艉流收縮，從而提高螺旋槳的推進效率；

3) 舵球可改善槳后水流流場的分布,減輕艉流對舵和船尾的激振作用，提高船舶的舒適度。

目前該裝置已在多艘船上得到應用，經(jīng)反饋其節(jié)能效果可達1%～3%，由于具有結構簡單、加工和安裝方便、成本低和節(jié)能效果好等優(yōu)點，適于與槳前節(jié)能裝置配合使用，得到了船舶所有人的廣泛認可。

2.3.2 舵附推力鰭

舵附推力鰭是一種安裝于槳后舵葉兩側的水動力節(jié)能裝置，鰭片與水流方向呈現(xiàn)一定的攻角。螺旋槳誘導艉流場中存在較強的旋轉流動，水流在經(jīng)過鰭片所在區(qū)域時，因與鰭片發(fā)生相互作用而改變流動方向，使艉流中的旋轉能量得到有效吸收，鰭片產生附加推力，從而提高船舶的推進效率。試驗和應用研究結果顯示，若設計的方案合理，舵附推力鰭的節(jié)能效果可達1%～4%。影響舵附推力鰭節(jié)能效果的主要因素如下：

1) 舵附推力鰭的安裝角。該角度是指舵附推力鰭與槳軸線的夾角，舵附推力鰭與水流相互作用，會因水的黏性和誘導速度而產生阻力和升力，鰭片所受總阻力與升力沿軸向的合力即為助推力，是實現(xiàn)推進效率提升的關鍵因素。在有效攻角范圍內，助推力會隨著攻角的變化而發(fā)生變化，存在一個最佳角度范圍，使舵附推力鰭的助推力達到最大。研究表明，舵附推力鰭在安裝角為5°左右時的節(jié)能效果最好。

2) 舵附推力鰭的長度。舵附推力鰭的助推力大小與其長度有關。當舵附推力鰭的其他參數(shù)不變時，其展長越長，鰭片的升力和所受阻力越大。但是，由于螺旋槳艉流場中的流速相對較高，當鰭片完全處于艉流場之內時，隨著鰭片展長的增加，舵附推力鰭的助推力會增大，助推效率會提高；當鰭片超出艉流場時，舵附推力鰭的助推力會隨著鰭片展長的進一步增加而明顯減小。為此，在設計舵附推力鰭時需合理選擇鰭片展長。

3) 推力器安裝位置：舵附推力鰭的垂向和軸向安裝位置一般略高于螺旋槳軸中心線，位于螺旋槳艉渦過渡區(qū)內，此時其助推效果最理想。

2.3.3 轂帽鰭

轂帽鰭是一種安裝在螺旋槳后方，隨螺旋槳旋轉的水動力節(jié)能裝置，其結構特點是在螺旋槳轂帽上設計安裝有小葉片，葉片的數(shù)量與螺旋槳槳葉的數(shù)量相同，均布在轂帽表面，與螺旋槳同步旋轉，用以擴散轂渦，葉片半徑約為槳葉半徑的1/4。轂帽鰭能回收螺旋槳葉根處損失的艉流旋轉能量，利用轂帽鰭葉片形成整流作用，分割和衰減槳轂轂渦，消除螺旋槳轂帽后端的低壓區(qū)，恢復槳轂和轂帽的壓力，減少旋渦能量損失，利用轂帽鰭葉片產生與螺旋槳葉片方向相反的反扭矩，減小螺旋槳的整體扭矩，提高其推進效率。圖6為轂帽鰭幾何外形和整流效果示意圖。

a) 幾何外形

b) 整流效果圖6 轂帽鰭幾何外形和整流效果示意圖

轂帽鰭相比其他節(jié)能附體具有結構簡單、重量輕和造價低等優(yōu)點，可隨螺旋槳槳帽一同拆卸，施工安裝比較方便，對于轂渦較重的船舶而言節(jié)能效果尤為明顯，可降低螺旋槳噪聲，已在很多實船上得到應用。實船應用結果顯示，轂帽鰭的節(jié)能效果平均可達2%～3%。

2.4 組合式水動力節(jié)能裝置

由于不同節(jié)能裝置的安裝位置不同，起到的整流作用和水動力特性也不盡相同。不同節(jié)能裝置扮演著不同的節(jié)能角色，在實際設計節(jié)能方案時，常通過對多種節(jié)能裝置進行搭配設計，形成組合式水動力節(jié)能裝置，兼顧槳前整流、槳后消渦和艉流能量回收等作用，提高節(jié)能裝置的綜合節(jié)能效果。常見的節(jié)能裝置組合方案及其節(jié)能效果見表1。

表1 常見的節(jié)能裝置組合方案及其節(jié)能效果 %

3 結 語

本文回顧了基于船舶水動力性能的船舶節(jié)能技術研究，從船型優(yōu)化設計技術和船舶附加水動力節(jié)能裝置2個方面分析了船舶水動力節(jié)能技術的發(fā)展現(xiàn)況、特點和應用效果。船型優(yōu)化設計技術適用于新造船舶，是船型設計開發(fā)階段保證船型具有優(yōu)良性能的首選技術手段。本文深入分析了2種常見的船型優(yōu)化方法，闡述了其技術原理、適用條件和設計流程，分析了其應用效果。船舶水動力附體節(jié)能技術適用于新船設計安裝和舊船改造，是改善船舶水動力性能的補充措施。本文從節(jié)能原理和應用效果2個方面對節(jié)能附體進行了詳細介紹，包括槳前節(jié)能裝置(包括前置整流導管和前置預旋導輪)和槳后節(jié)能裝置(包括轂帽鰭、舵球和舵附推力鰭等)，分析了不同節(jié)能裝置的節(jié)能原理和預期節(jié)能效果。在進行新船設計和舊船改造時，可根據(jù)船舶的用途、航線和船型特征等選取合適的船舶節(jié)能技術。本文的研究成果可供船舶設計、制造和運管等人員參考。