基于吃水差优化的船舶能效仿真研究

戚可成 方剑益 何永明 王琦

摘 要：隨着海上运输的快速发展，其带来的环境污染和能源的消耗也日益加剧，所以要节能减排、提高船舶营运能效水平。通过调整船舶吃水差，改变船舶的浮态，从而降低船舶航行的阻力，改善船舶的航行性能，提高船舶的能效营运水平。本文以上海海事大学的教学实习船----育明轮为研究对象，通过仿真与试验结合，并结合项目组研发的船舶能效监控系统实测出育明轮在不同吃水差下的主机每海里油耗，得出当育明轮在满载即吃水为11米、航速12 knots时航行，吃水差为-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、0.5米和1米六种浮态中，吃水差为-0.2米时的两相流（空气、水）中的阻力和船舶主机每海里油耗量最小，能效营运水平最高。

关键词：能效 吃水差 船舶阻力 主机油耗

为了提高船舶营运能效，航运界提出了多种节能减排的方法，例如降速航行、航线优化、气泡减阻、主机热经济学分析、采用LNG等新能源。但是，要采取这些节能减排的方法都要增加船舶的投资资本或者是降低营运效率，并且这些方法对不同的船舶有不同的适应性，因此不能进行普遍推广。本文利用FLUENT软件计算船舶不同吃水及不同速度时在单相流（水）、两相流（空气、水）中的阻力，并结合项目组研发的船舶能效监控系统实测出船舶在不同吃水差下主机每海里的油耗，比较船舶在同种工况不同吃水差下阻力和主机每海里油耗的变化趋势，从而找出在相应工况下的最佳吃水差。

1.船舶吃水差及阻力计算模型

1.1船舶吃水差的概念

船舶的吃水差是指船舶的艏吃水df与艉吃水da的差，用t表示，即：

当艏吃水大于艉吃水时，即吃水差为正值时，船舶为艏倾（Trim by bow）；当艏吃水小于艉吃水时，即吃水差为负值，船舶为艉倾（Trim by stern）；当艏吃水等于艉吃水时，即吃水差为零，船舶为平浮（Even keel）。

因船舶装载的压载水、货物以及燃料的装卸，使船舶的重心偏离船舶在正浮时的浮心位置，产生纵倾力矩，从而使船舶艏吃水与艉吃水不同。

1.2吃水差对船舶航行性能的影响

船舶不同的吃水和不同的吃水差都会对船舶的航行性能产生影响。如果船舶的艏倾过大，其首部甲板易上浪，舵叶和螺旋桨入水深度相对减小，如果遇到风浪，舵叶和螺旋桨易露出水面，形成飞车，导致船舶的航行稳定性变差，推进效率也降低。如果船舶的艉倾过大，不仅使首部底板容易受波浪拍打，船舶的操纵性会变差，驾驶台瞭望的盲区增加，还会使航速降低。

1.3 阻力理论计算

1.3.1质量守恒方程

流体在流场中流动需要遵循物理守恒定律，其中包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等，具体表现为连续性方程和N-S方程。

VOF方法采用了流体体积函数与流场的基本数学模型结合，从而避免采用相对复杂Marker点的方法。在每一个网格中，将一种流体的体积所占网格体积的分数将其称为流体体积函数。将网格中全部含有这种流体时称之为“满”网格，包含相界面时的网格称之为“半”网格，网格中不含有这种流体时称之为“空”网格。所以，可以通过流体体积函数值构造运动界面，并在它附近进行精细处理，可提高精度。

3.模拟结果与试验结果对比

3.1满载时船舶在不同吃水差下的静水阻力

计算船舶在不同吃水差下静水的阻力，在水面以下船体的几何形状、船体的湿面积以及水线长度都不相同。本文定义吃水差为df-da，即吃水差为正值时表示船舶处于艏倾状态，吃水差为负值时表示船舶处于艉倾状态，在育明轮在满载即吃水11米、速度12knots时，分别计算-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、+0.5米和+1米六种不同吃水差下的阻力。对于计算出的阻力主要用于分析船舶在改变吃水差前后的阻力变化，为了更明显的反映阻力变化需引入阻力增减比，即：

增减比=（吃水差改变后的阻力-平吃水的阻力）/平吃水的阻力×100%

当育明轮在航行时，其艏艉处的存在压强差以及艉部的回流会产生船舶阻力，阻力主要存在于船艏部分，并且船艉处的受力方向和船艏的受力方向相反。通过计算，得出的阻力如表1。

为了可以明显的观察满载状态速度12knots时不同吃水差下的两相流中的阻力变化，作出图2。

当满载速度为12knots、满载状态时，育明轮在艏倾和较大的艉倾下都会使船舶的静水阻力增加，在一定的艉倾状态下可以降低船舶阻力，当吃水差为-0.2米时，船舶的阻力最小，相比于平吃水时阻力可减少4.79%。

3.2满载时吃水差变化下的主机油耗

通过安装在育明轮上的船舶能效监控系统测出船舶在不同吃水差下主机每海里的油耗，为了更明显的反应不同吃水差下主机每海里的燃油消耗量的变化，用燃油消耗量增减比来表示，即：

增减比=（吃水差改变后主机燃油消耗量-平吃水主机燃油消耗量）/平吃水主机燃油消耗量×100%

当育明轮的速度为12knots、满载状态下，-1.4米、- 0.37米、-0.2米、0米、+0.5米和+1米六种不同吃水差下消耗的燃油量具体数据如表2：

为了更能明显的看出不同吃水差下的主机每海里油耗的变化，作出图3：

由此可知，育明轮在艏倾时，主机每海里的油耗量比平吃水主机每海里油耗量都有所增加，能效营运水平都比平吃水时低，在较大的艉倾即吃水差为-1.4米时，主机每海里油耗量与平吃水相比有很大的增加，能效运营水平显著降低，在比较小的艉倾下，其运营能效水平有所提高，尤其在吃水差为-0.2米时主机每海里的油耗量最小，能效营运水平最高。

4.结论与展望

调整船舶首尾的吃水使其在不同的吃水差下航行是一个综合性的问题，首先考虑船舶的稳性、强度等保证船舶能安全航行，然后再考虑船舶的营运能效水平。本文以上海海事大学教学实习船——育明轮为研究对象，通过仿真与试验结合，利用FLUENT软件对船舶在不同吃水差下的静水阻力、空气与水两相流中的阻力进行了数值计算，并与船舶能效监控系统在同种工况实测的油耗数据进行对比，得出当育明轮在满载即吃水为11米、航速12节时航行，吃水差为-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、0.5米和1米六种浮态中，吃水差为-0.2米时的两相流中的阻力和船舶主机每海里油耗量最小，能效营运水平最高。另外还需进一步对其他工况进行研究，从而能够为实船航行提供全面的数据，使船舶在各个工况下都能在最佳吃水差下航行，实现节能减排。

参考文献：

[1]许欢，刘伟，张爽.低碳经济下船舶航行速度选择[J].中国航海，2012， 02：98-101+109.

[2]计明军，陈哲，王清斌.集装箱船舶支线运输航线优化算法[J].交通这输工程学报，2011， 04：68-75.

[3]Tsai JF. Study on the application of micro-bubble drag reduction technique at the ship model [J].Journal of Taiwan Society of Naval Architects and Marine Engineers.2011 （2）：99-107.

[4]張剑，张跃，孙培廷.基于热经济学结构理论的船舶柴油机系统故障诊断[J].大连海事大学学报，2014， 03：94-98.

[5]吴桂涛等.风翼-柴油机混合动力船主机降速模式[J].中国海，2011， 04： 17-21.

[6]张钢.海上货物运输[M].大连：大连海事大学出版社，2012.

[7]马蜂，黄少锋，朱德祥.湍流模型在船舶计算流体力学中的适用性研究[J].水动力学研究与进展A辑，2009， 02：207-216.