补偿导管节能效果CFD数值模拟研究

CCS技术研究开发中心 吴明远

EEDI和SEEMP两项船舶能效准则，自2013年1月1日起开始生效，2015年起强制执行。EEDI指数超标的新设计船将不能通过船级社或IMO的审核，SEEMP指数超标的运营船舶将无法进入国际航运市场。船舶水动力节能附体装置，节能效果显著，成本低廉，安装方便，将会赢得船东或船厂所青睐。补偿导管，适用船型广，节能效果显著，结构简单，造价低，制造、安装方便，是一款综合性能优越的水动力节能附体装置。

补偿导管的节能效果

随着全球变暖和海平面上升等温室效应造成的环境问题越来越严峻，节能减排开始为世界各国重视。船舶运输行业，一直都是高能耗、高排放行业中的大户，自然成为节能减排的重点。2008年，IMO在MEPC58次会议上提出船舶排放标准的能效设计指数EEDI和能效运营指数SEEMP。2011年，IMO在MEPC62次会议正式通过《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ修正案，确定了EEDI和SEEMP两项船舶能效准则。《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ修正案，在2013年1月1日已经生效，并在2015年起强制执行。EEDI指数超标的新设计船将不能通过船级社或IMO的审核，SEEWP指数超标的运营船舶将无法进入国际航运市场。近年来，中国船级社、研究设计院所、高等学校和船厂通过对中国船舶的EEDI指数计算验证，并与MEPC提供的Baseline比较得出，中国63%散货船的EEDI指数大于Baseline；57%集装箱船的EEDI指数超过Baseline；73%的共同规范（CSR）散货船超标。届时，我国船舶工业和航运业将面临着巨大挑战。此外，国际石油价格持续上涨，船舶运输行业作为耗油大户，势必也会面临巨大压力。研发节能效果显著的船舶节能技术具有十分重要的意义。

目前新造船舶一般选用如下节能技术：选用节能环保型主副机，选用高效螺旋桨，优化船体、主机和螺旋桨的匹配，优化船体线型，选用合适的水动力节能附体。然而，前几项船舶节能技术花费昂贵，节能效果却因船而异，只应用于新船型设计，而不适用于能效指数超标的旧船改装。水动力节能附体，节能效果显著，却花费低廉，安装方便，不仅适用于新造船舶，而且适用于旧船改造。

补偿导管，英文简称WED（Wake Equalizing Duct），是由德国艾根工业大学Schneekluth教授提出的，于1984 年成功安装于一艘7 万吨散货船，是一个前端直径大、后端直径小的喇叭形的半圆导管，安装于螺旋桨斜上前方的的左右两侧，通常左右两侧不对称（见图1）。补偿导管，适用船型广，节能效果显著，结构简单，造价低，制造、安装方便，至今已为过千艘船舶安装，是一款综合性能优越的水动力节能附体装置。

国内的钱文豪、李洁雅等分别做过试验研究，黄少锋等做过CFD 数值模拟研究。国外的Schneekluth Hydrodynamic Entwicklungs-und Vertriebs-GmbH （施洛克纳奇流体力学发展有限公司）有大量的实船试验，Friedrich Mewis、Fahri C-elik、Viorel Gabriel Maria等做过CFD 数值模拟研究。现在，CFD 数值计算方法已经部分取代了模型试验，逐渐地应用于船舶水动力学性能的预报。在成功预报船体的阻力、敞水以及自航特性的基础上，已开始使用CFD 数值计算方法来预报补偿导管的节能效果。采用CFD 数值计算方法，以75000 载重吨散货船为研究对象，研究其加装补偿导管后的节能效果，先后模拟了不带补偿导管裸船体水动力性能、不带补偿导管的船-桨-舵系统水动力性能、带补偿导管的裸船体水动力性能、带补偿导管的船-桨-舵系统的水动力性能，并对计算结果进行对比分析。

CFD数值模拟理论基础

采用SSTk-ω湍流模型求解RANS方程。

控制方程：

控制方程为不可压缩流体的连续方程和RANS方程：

式中，ρ为密度，μ为流体粘性系数，p为压力，ùi为速度脉动量。

湍流模型：

SSTk-ω湍流模型包括湍流动能k和湍流动能耗散率ω的方程为：

其 中：Γk 和Γω 表 示k 和ω 的有效扩散率，Gκ 表示由于平均速度梯度产生的湍流动能，Gω 表示特殊湍流动能耗率ω 的产生，Yk 和 Yω 表示由于湍流k 和ω 的耗散，Sk 和 Sω 为用户自定义项。

计算对象选取

本文选取了75000载重吨散货船为计算对象。船模总长5.625米， 垂 线 间 长5.425米， 型 宽0.8065米， 型 深0.4625米， 设计吃水0.3125米、螺旋桨直径179.25mm，桨叶数目4、舵叶剖面类型NACA0021、补偿导管剖面翼型NACA0018。补偿导管图见图1至图3。

图2 导管剖面视图

图3 导管安装位置图

图1 补偿导管

本文先后模拟了不带补偿导管裸船体水动力性能、不带补偿导管的船-桨-舵系统水动力性能、带补偿导管的裸船体水动力性能、带补偿导管的船-桨-舵系统的水动力性能，划分网格见图4至图8。

图4 主船体及其计算域网格

表1 船模主要参数

表2 补偿导管主要参数

图5 不带导管裸船体计算域的船尾小域网格

图6 不带导管船-桨-舵系统计算域的船尾小域网格

图7 带导管裸船体计算域的船尾小域网格

图8 带导管船-桨-舵系统计算域的船尾小域网格

计算结果及结论

通过比较加装补偿导管前后换算到实船的总阻力，船身效率，推进效率，实桨收到功率，判断补偿导管的节能效率以及通过分析桨前速度矢量图，进流面桨叶表面压力图，桨前轴向速度云图来分析其节能机理。

加补偿导管后，实船速度分别在14节、15节、16节下的总阻力，相比加补偿导管前分别增加了2.73%、2.12%和2.44%。加补偿导管后，会增大船体的总阻力。

船身效率是船的有效马力和螺旋桨后推功率的比值。加补偿导管后，实船速度分别在14节、15 节、16 节下的船身效率，相比加补偿导管前分别提升了14.76%、9.77%和5.53%，加补偿导管后，会提高船身效率，随着航速增大，在一定航速范围内，船身效率提高比例减小。

加补偿导管后，实船速度分别在14节、15节、16节下的推进效率，相比加补偿导管前分别增加了6.44%，3.43%和5.51%，加补偿导管后，会提高船舶的推进效率，在一定航速范围内，随着航速增加，提高船舶推进效率的增幅会减小。

加补偿导管后，实船速度分别在14节、15节、16节下的节能效率，相比加补偿导管前分别增加了3.49%、3.22%和0.96%，加补偿导管后，实桨收到功率减小，在一定航速范围内，实桨收到功率减幅减小。

下面通过桨前速度矢量图，进流面桨叶表面压力图，桨前轴向速度云图来比较安装补偿导管前后的变化，进而分析补偿导管的节能机理。

当航速为14.98节时的x=4m处的桨前水流速度矢量图，x=4m处平面位置图（见图9）。

图9：x=4m处平面位置图

图10：加装补偿导管前（左）后（右）桨前x=4m处水流矢量图比较

通过比较（图10），加装补偿导管后，桨前水流速度变大，且中间速度区域的面积变大，螺旋桨盘面上方流速趋于均匀。一个更为均匀的进流场可以减小螺旋桨的激振力，降低螺旋桨噪声，提升螺旋桨效率。

加装补偿导管前后进流面桨叶表面压力比较图（图11），通过比较可知，加装补偿导管后，中间压力区变大，螺旋桨盘面上方压力趋于均匀。

加装补偿导管前后，桨前x=4m处的轴向速度云图（图12），图中可以看出桨前处装有补偿导管的船模的尾流场分布比裸船体的要更均匀一些。这是由于补偿导管附近存在环流的缘故。环流使得流经导管内侧的流动加速，外侧的流动减速，进而导致更多的水从导管穿过，并且使桨盘上侧的水流速度增加。这会使得桨前进流更为均匀，进而可以提高螺旋桨的效率。

图11 加装补偿导管前（左）后（右）进流面桨叶表面压力比较图

图12 加装补偿导管前（左）后（右）桨前x=4m处的轴向伴流分布对比对比

通过比较加装补偿导管前后船-桨-舵系统的水动力性能，可以得出以下结论。

一、加装补偿导管后，船体的阻力会增加，说明产生附加推力相对于增加的阻力要小。

二、加装补偿导管后，船身效率显著提高，在14 ～16节范围内，效率提高5.33%～14.76%，随着速度增大而减小。

三、加装补偿导管后，在14 ～16节范围内，推进效率提高3.43%～6.44%，桨后收到功率减少0.96%～3.49%，节能效果显著，随着速度增加，节能效果有降低的趋势。

四、加装补偿导管后，加速了螺旋桨盘面上方的流速，流速显著提高，使得流速趋于均匀，进流面桨叶压力趋于均匀，有利于提高螺旋桨推进效率，减小桨叶负荷，降低螺旋桨激振力引起的船体振动。