某油船的节能技术分析

殷晓俊， 任海奎， 黄家彬， 陈霞萍

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135； 2.中远海运能源运输股份有限公司，上海 200120)

0 引 言

船舶运输是当前全球最主要的货物运输方式，同时也是温室气体和大气污染物的主要来源之一。在全球气候变暖问题日益严重的大背景下，发展低碳航运、建造绿色船舶成为缓解能源和环境压力的必然选择，具有较强的紧迫性。

当前，世界各国已在发展低碳航运、加强船舶节能减排方面做出很多努力。一方面，国际社会对航运业碳排放的约束日趋严格，出台了一系列船舶节能减排方面的标准和制度，如国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)的Tier Ⅲ排放标准和欧盟的MRV收集机制等；另一方面，国内外很多航运企业、航运研究机构都推出了船舶节能方法。现有的船舶节能方法大致可分为以下几类：

1) 优化船舶运营模式，即采用经济航速，统筹研究海洋水文、气象条件和船舶适航能力等内容,以优化船舶航行线路、调整船舶班期等；

2) 加强人员管理，即通过法律规章、操纵规程等方式提高船上工作人员的节能意识；

3) 根据船舶自身的水动力属性采取节能技术，即采用减小船舶阻力(对初始船型进行减阻优化)、改进船舶推进器、优化船舶纵倾、微气泡减阻和加装艉部节能装置等方式直接降低船舶主机的油耗。

一般而言，前2类节能方法的节能效果较为可观，但对节能效果进行量化需大量的时间和精力。与之相比,采用依靠船舶自身水动力属性的节能技术，可在短期内通过计算机软件和模型试验对具体的节能效果进行验证[1]。因此,本文以某油船为研究对象,采用“对初始船型进行减阻优化”和“加装节能装置”的方法对其进行节能设计。

1 目标船概述

本文研究的船舶(即目标船)是一艘正在设计的大灵便型油船(见图1)，具有灵活性强、吃水浅、船长短和船舱多等特点，在航运市场需求量很大。该船的主尺度见表1。

图1 目标船示意

参数数值总长L/m179型宽B/m30设计吃水T/m10.1

2 优化船型设计

近年来，国内外相关研究机构已开发出多种有助于节能的船型，如大球鼻艏船型、艉端球船型、隐形球艏船型、隧道艉船型和不对称艉船型等。在对船型进行减阻优化时，需考虑到船舶主尺度和排水量保持不变、线型满足机舱布置要求等，因此对目标船的线型进行减阻优化往往不是单独采用某种具体线型，而是要综合考虑各种因素。

本文所述目标船的初始线型是根据母型船仿射变换而来的，属于带球鼻艏和传统U型艉的线型。采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件对该船进行三维建模和初步分析，发现其存在较大的船型优化空间，因此可通过优化船型来降低船舶在实际航行过程中受到的总阻力，提高其快速性能，降低油耗，最终达到节能的目的,同时提高该船在航运市场上的综合竞争力。

目标船的长宽比取值范围为5.5～6.0，船宽吃水比约为2.97，船体为短胖型船体。长宽比越小越不利于减小阻力。因此,当船舶的主尺度不利于减小阻力时，需对艏、艉和整体线型进行综合优化，以确保船型优化的效果显著。

2.1 艏部线型设计[2]

对于带球鼻艏的船舶，其球鼻艏在船舶航行过程中会产生额外的波系，与船舶原有的波系形成一种叠加效应。若球鼻艏的尺寸和形状设计得当，其产生的波系和船舶原有的波系可处于波峰与波谷相互叠加并部分抵消的状态，最终使合成波的波幅降低,称该情况为球鼻艏对波浪的有利干扰[3]，可使船舶的兴波阻力减小，进而使船舶受到的阻力减小。初始船型采用的球鼻艏是SV型球鼻艏，其长度约为船长的2.5%，比例合理，可对球鼻艏的宽度和高度进行调整。通过改变球鼻艏的几何形状，使其兴波发生改变，最终使该波系与主船体波系叠加之后，波幅有所下降。

同时，调整艏部在设计吃水附近从15站到20站的线型宽度，使船体艏肩部的线型布置合理，该区域的水线进流角和肩部形状对主船体艏部波形的影响十分明显。在设计优化线型时，观察并调整艏部横剖面面积曲线的形状，这有助于使船体表面的压力分布更加均匀，减小黏压阻力。

2.2 艉部线型设计[4]

初始船型采用偏U型的艉部线型。在通常情况下，艉部线型对兴波阻力的影响没有艏部显著，但对经过船体流到螺旋桨盘面处的水流的形态影响较大。若靠近轴出口的艉部线型布置恰当，则可有效降低船体伴流峰值，使伴流分布更加均匀，避免螺旋桨盘面附近产生死水区。为提高螺旋桨的推进效率，最终采用偏V型的艉部线型，并降低初始船型艉部纵剖线斜率的变化，从而产生较为平缓的纵剖线，这样处理可避免桨盘面处出现不利的绕流，更有助于减小艉部的黏压阻力。

2.3 整体船型设计

该阶段是结合艏艉线型特征和平行中体处的线型特征，对船舶线型进行整体设计。在确保排水体积不变的情况下，尽可能地减小船体的湿表面积，以利于减小摩擦阻力。同时，着重观察浮心纵向位置的变化，整体把握船体纵剖线的形状、舭部线型的宽度和横剖面面积曲线的合理分布等。

3 艉部节能装置设计

为增强船舶最终的节能效果，考虑在优化船型的基础上加装艉部节能装置。本文设计2套艉部节能装置。方案1是在常规舵上安装舵球和舵附推力鳍；方案2是在艉轴上方的一侧安装导管，在另一侧安装导流鳍。根据节能装置的分类，方案1属于桨后节能装置设计方案，方案2属于桨前节能装置设计方案。

1) 方案1的节能机理是：在船舶运动过程中，螺旋桨的桨毂与舵之间的空隙地带会形成一个涡流，属于低压区。这种现象的出现会使艉场中周向旋转的能量发生损失。当在舵上加装舵球之后，桨毂与舵之间的空隙地带绝大部分会被填充，使得该部位的低压区大大缩小，桨后很难再出现漩涡。螺旋桨旋转产生的水流周向旋转的速度很大，在加装舵球之后受舵球黏压阻力的影响，旋转速度减小，流场趋于稳定，这有助于提高螺旋桨的推进效率。从能量场的角度分析，舵球可吸收并利用这部分周向旋转的能量，因此可起到提高螺旋桨推进效率的作用。舵附推力鳍的节能机理是鳍与水流相互作用之后产生一个升力，该升力在船长方向上的分力能产生推力的效果，进而产生节能效果。

2) 方案2的节能机理是：航行中的船舶受到船体兴波和黏性边界层的影响，其艉部的伴流场会变得不均匀，但在艉部靠近螺旋桨的前端安置导管可使水流聚集，不再发生分离。同时,水流速度会增大，螺旋桨的进流场会得到有效改善(变得更均匀)，使水流在导流鳍的作用下产生与螺旋桨旋转方向相反的预旋，进而提高螺旋桨的推进效率。此外，该装置还具有减少螺旋桨激振力，进而减小艉部振动，改善船舶操纵性能的作用。

在方案1中，舵的形状与不带节能装置的常规舵的形状相同，翼型剖面为NACA18,展弦比为1.4。推力鳍采用NACA12剖面，展弦比为2。舵球与舵附推力鳍的形状见图2。

方案2中的导管采用NACA的剖面，该导管由剖面形状相同(均为机翼型剖面)的3段半环组成，分别为1个完整的半环和2个端面向外水平延伸的半环。导管和导流鳍分别安装在艉部的左侧和右侧，与船体外表面相贯之后去除多余的部分。导管和导流鳍在船上的安装位置示意见图3。

图2 舵球与舵附推力鳍的形状 图3 导管和导流鳍在船上的安装位置示意

4 CFD计算分析

4.1 优化船型的CFD分析

1) 将初始船型和优化船型导入到势流计算软件中进行计算分析,得到初始船型和优化船型的波系和船体表面压力见图4。

a) 初始船型

b) 优化船型

由图4可知，与初始船型相比，优化船型的艏部生成的散波、艏肩波和平行中体延伸到艉部的横波都明显减小,这主要是因为艏部球鼻艏改型之后产生的兴波对船体艏横波形成了有利干扰，艏肩部线型宽度的改变有利于水流通过，同时船体表面压力分布梯度显著变小。

2) 利用黏流计算软件分别对初始船型和减阻船型进行计算分析。吃水和航速不变，主要分析设计吃水为10.1 m、vs=13.5 kn时艉部的流场形态和桨盘面处的伴流形态。

图5为初始船型和优化船型艉部表面流线和压力分布,其中cp为船体表面压力系数。由图5可知:优化船型的压力梯度比初始船型更缓和，艉部流线的走向更加平顺和匀称;艉部涡流现象基本消失，使得更多的水流可流到桨盘面处以提高船舶的推进性能。因此，改型船的空泡性能和推进性能都比原型船好。

a) 初始船型

b) 优化船型

图6为螺旋桨盘面轴向速度分布。由图6可知:优化船型的伴流周向均匀性更合理，有利于减小艉部振动;初始船型在90°～180°桨盘面处有明显的漩涡。

a) 初始船型

b) 优化船型

4.2 艉部节能装置的CFD分析

图7为艉流周向速度分布。由图7可知:舵球填充了桨后低压区，使得艉流场更加均匀；推力鳍使得螺旋桨快速旋转带来的周向水流的流速变缓，继而减少了周向旋转能量的损失。

a) 无节能装置

b) 舵球加舵附推力鳍

图8为艉部流线图。由图8可知，相对于无节能装置，带导管和导流鳍集拢可加速水流的流动，进而改善伴流场的梯度，提高螺旋桨的推进效率。

a) 无节能装置

b) 导管和导流鳍

5 模型试验验证

5.1 优化船型的验证

通过模型试验(见图9)计算分析得到航速与有效功率的关系曲线见图10。由图10可知，优化船型的有效功率整体比初始船型下降约8.8%，快速性能得到大幅度提高，说明优化船型的节能效果明显。

b) 艉部

5.2 艉部节能装置的验证

在优化船型的基础上继续进行加装艉部节能装置的模型试验。结果表明：当螺旋桨的收到功率Pd=4 600 kW时，无节能装置的船舶的航速在无风无浪的海况下可达到13.70 kn;当安装舵球和舵附推力鳍之后，该船的航速可达13.83 kn，若只保持13.50 kn的设计航速，则可节省2.9%的主机功率;当安装导管和导流鳍之后，该船的航速可达13.80 kn，若只保持13.50 kn的设计航速，则可节省2.6%的主机功率。2种方案都有节能效果。

图10 航速与有效功率的关系曲线

6 结 语

通过对目标船采取减阻优化和加装艉部节能装置2种措施，可得到以下结论:

1) 对目标船的船型进行整体的减阻优化，可有效降低船舶的总阻力;

2) 对目标船加装艉部节能装置，可有效提高船舶的航速或降低船舶所需的主机功率，同时配合优化船型，能提高船舶的节能效果;

3) 将CFD软件与模型试验相结合，可很好地为船舶节能技术的性能分析服务。