基于船舶水动力性能的节能技术研究回顾

穆亚娣, 陈伟民, 董国祥

(上海船舶运输科学研究所有限公司 a.航运技术与安全国家重点实验室;b.航运技术交通行业重点实验室， 上海 200135)

0 引 言

近年来，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)加快了实施绿色造船和限制船舶温室气体排放的步伐。2018年4月召开的IMO海上环境保护委员会(Marine Environment Protection Committee，MEPC)第72届会议通过了《IMO船舶温室气体减排初步战略》，对国际航运业应对气候变化的行动做了总体安排：要求国际航运业的温室气体排放尽快达到峰值并下降，为各类船型确定了各个阶段能效提高的百分比；要求国际航运业平均每单位运输活动的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月召开的MEPC第75届会议批准了《国际防止船舶造成污染公约》附则VI的修正案，针对正在运营的船舶提出了技术能效和营运能效要求，即现有船舶能效指数(Energy Efficiency Existing Ship Index,EEXI)和碳强度指标(Carbon Intensity Indicator,CII),并按年度营运能效对船舶进行了分级(A～E级)。EEXI类似于新造船的能效设计指数(Energy Efficiency Design Index,EEDI)，目前EEXI要求的各船型设定值基本上等同于2022年对新造船提出的EEDI要求值。该规定的执行使得世界各国纷纷加大船舶节能减排技术研究力度，从技术性和操作性能效技术等多方面出发，为新造船和正在营运的船舶提供能效提升方案，助力船舶节能减排和能效利用水平的提升。

广义上看，船舶节能减排的目标是以尽可能低的燃料消耗和排放水平获得最大的运输效益，在具体实践中，一般可从提高主机效率、采用清洁燃料、安装尾气回收净化装置和优化船舶水动力性能等多个方面入手，实现船舶节能减排。船舶水动力性能优化设计是有效实现船舶节能降耗的技术手段之一，主要通过对船型和推进器进行优化设计，减小船舶的航行阻力，提高船舶的推进效率和机桨匹配度，实现船舶性能提升，达到节能减排的目的。船型优化技术通常应用于新船型开发阶段，通过对船体的阻力性能和推进性能进行深度优化设计，形成性能优良的船型方案，具有一次投入获得长久收益的特点，是优化船型水动力性能的首选技术手段。对于运营中的船舶，通常采用在船尾螺旋桨附近加装水动力节能装置的方式，通过节能装置的整流作用改善螺旋桨的进流条件，回收艉流损失的能量，提高船舶的推进效率，实现节能降耗。船舶水动力节能装置具有结构简单、便于安装和制造安装成本低等特点，节能技术相对成熟，节能效果显著，也适于新船采用，可作为改善船舶水动力性能的补充措施，在实践中深受船舶所有人的青睐。本文主要对船舶线型优化技术的内涵、设计流程和关键要素，以及船舶水动力节能装置的产品类型、节能原理和设计要素等进行分析总结，通过综合比较，探讨不同节能技术的应用效果，为船舶水动力节能技术的研究和设计提供参考。

1 基于船舶水动力的船型优化技术

船舶的水动力性能对船舶能效具有深远的影响，优秀的船体线型设计能保证船舶在整个运营周期内保持相对较好的航行性能，降低能耗，减少温室气体排放。为此，在新船型设计开发阶段，船体线型水动力性能优化设计是船舶设计人员关注的重点。目前常用的船型设计技术主要有基于专家经验的船型设计技术和基于优化平台的船型设计技术2种。这2种技术均需借助船舶计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术，其中：基于专家经验的船型设计技术侧重于通过对船舶流场的分布进行定性判断，结合船舶阻力和自航因子计算结果对船舶进行改型设计；基于优化平台的船型设计技术主要通过专用软件搭建船体变形、CFD评估和迭代设计自动化流程，实现设计空间寻优和深度设计优化。这2种技术各有特点，在实践中需根据优化目标、可用的计算资源和专家经验等选择合适的方法。

1.1 基于专家经验的船型优化设计技术

基于专家经验的船型优化设计技术主要是基于母型船和系列船型资料，结合船舶设计师的经验，对初始船型方案进行选型和设计，并针对初始船型方案开展船舶航行性能CFD数值计算分析，提取船行波、船体表面压力梯度和艉部流场分布等关键区域的流场信息，结合专家经验对艏艉区域的线型进行改型设计，经过反复迭代改进，逐步改善船体周围流场的品质和船型性能，最终形成满足设计要求的船型方案，技术流程见图1。这种船型优化设计技术已有几十年的发展历史，在主流船型选型优化设计中取得了良好的效果，对船舶航行性能的持续改进起到了重要的推动作用。在船型设计的不同阶段，比如设计初期的快速选型阶段，设计中期的船舶阻力优化、推进性能优化、载况优化和船型综合航行性能(包括快速性、耐波性和操纵性等)优化等阶段均具有良好的应用效果，目前仍是船型设计开发中采用的主要设计方法之一。据统计，采用该方法进行船体线型和螺旋桨设计，可使船舶的推进效率提高6%～8%。

图1 基于专家经验的船型优化设计技术流程图

该方法的优点是能借助专家经验快速框定船型方案的选择范围，能针对设计问题快速做出反应，可结合专家经验和船舶CFD技术对船型性能进行深度优化，对船舶航行性能的改善效果较好；缺点是优化设计依赖于船体母型数据和专家经验的积累，在船型深度优化中需进行船体改型、CFD计算评估和结果分析评价等多轮次迭代，设计周期相对较长。

1.2 基于优化平台的船型优化设计技术

随着船体参数化建模技术和船舶CFD技术的不断发展，近些年出现了基于船型优化平台进行船型优化设计的技术路径选项。简而言之，就是通过整合船舶自动几何重构、CFD数值计算和优化算法等技术，获取基于软件平台的船型自动优化技术。常见的船体几何变形功能是通过参数化建模实现船体几何自动重构，而参数化建模方法分为半参数化方法和全参数化方法2种，可分别实现船体的局部变形和全局整体变形。船舶CFD计算作为底层支撑，用于实现对新船型性能的数值评估，获得船型性能量化指标。常用的优化算法有随机搜索算法、遗传算法和模拟退火法等，用优化算法替代人工经验，根据每一步的计算结果进行下一步的改型参数确认，经过大量的计算方案迭代设计，从众多方案中找出最优方案，实现对船舶性能的优化改进。图2为基于优化平台的船型优化技术流程图。

图2 基于优化平台的船型优化技术流程图

相比传统的船型设计方法，该方法的突出特点是将基于目标的最优技术引入船舶设计领域，即通过数学方法研究船型优化设计问题，与船体自动重构和CFD技术相结合，使得船型知识化设计模式成为一种可能。传统的船型优化设计方法主要依赖专家的设计经验，结合船型CFD分析和模型试验结果对船体线型、螺旋桨进行匹配设计。该方法的优点是能面向整个船型设计空间进行自动寻优，有利于对船型性能进行深度优化；同时，优化设计过程以性能为目标，通过优化算法驱动设计，能在一定程度上解决船型设计高度依赖专家的经验和知识储备的问题。该方法的缺点是在优化设计过程中会生成大量船型样本点，CFD数值计算需要大量的计算机硬件资源做支撑；同时，优化算法的选择、参数的选取和船型几何变型参数的设置等也需要设计人员具有大量的经验积累，只有如此才能达到较好的效果。据统计，采用集成平台实现船型深度优化设计，可在依靠人工经验进行调整的基础上，进一步使船型性能提升2%～5%。

2 基于船舶水动力的节能附体节能技术

船型优化设计技术能有效提升船舶的水动力性能，实现船舶节能降耗，但这种技术主要适用于新船建造阶段。对于营运中的船舶而言，船体外形已相对固定，其能效设计改造可采用在船体表面靠近螺旋桨的部位加装水动力节能装置的方式实现，通过节能装置的整流作用改善螺旋桨的进流条件，回收损失的螺旋桨艉流能量，达到节能增效的目的。由于节能装置具有结构简单、加工方便、成本低和节能效果优良等优点，既适用于新船安装，又适用于旧船改造，在工程应用中备受船舶所有人的青睐。

2.1 常见的水动力节能装置分类

船舶水动力节能装置有很多种，可根据安装位置的不同分为桨前节能装置和桨后节能装置。

1) 桨前节能装置一般安装在螺旋桨前部，以改善螺旋桨进流质量，提高桨盘面伴流场的均匀度，产生与螺旋桨旋转方向相反的预旋流，提高螺旋桨的推进效率。此类装置包括前置整流导管、前置预旋导轮、桨前整流鳍和节能轴支架等，其中前置整流导管和前置预旋导轮的节能效果最突出，二者为常用的桨前节能装置。

2) 桨后节能装置一般安装在螺旋桨后部，可实现对艉部压力场的调节，回收艉流周向旋转能量，衰减或分割各类漩涡，起到减小漩涡阻力和提供附加推力的作用，实现推进效率提升和节能增效。此类节能装置包括舵球、毂帽鳍、舵附推力鳍和扭曲舵等。

在实际设计中，可根据不同船型选择不同的节能装置，根据不同节能装置的特点进行适配设计；同时，可对2种或2种以上的节能装置进行组合设计，安装于桨前和桨后的不同位置处，获得更好的节能效果。

2.2 桨前节能装置

2.2.1 前置整流导管

前置整流导管是一种常用的桨前节能装置，一般安装于船尾中纵剖面两侧，偏置于螺旋桨轴上方，由2个“C”型半圆环形导流管构成，半圆环采用机翼剖面设计成前大后小的喇叭口形状，导管中轴线与船体基线具有一定的后倾角度，以获得优良的整流效果。前置整流导管能提高船舶的推进效率，减小螺旋桨激振力，改善螺旋桨空泡问题，尤其适用于散货船和油船等肥大型船的设计和改造中。由于肥大型船的艉部线型变化剧烈，艉部易出现水流分离现象，常产生较强的舭部旋涡，导致桨盘面处易出现“钩”状伴流特征。螺旋桨在这种伴流场中工作，不仅会导致其推进效率下降，而且可能诱发空泡现象，引起船尾产生剧烈振动等。图3为前置整流导管几何外形和整流效果示意图。加装前置整流导管能有效改善螺旋桨盘面的伴流分布，改善螺旋桨进流条件，提高螺旋桨的推进效率，其工作原理如下：

(a) 几何外形

(b) 整流效果图3 前置整流导管几何外形和整流效果示意图

1) 由于导管采用了前大后小的喇叭口设计，水流经过导管之后，其速度在导管后方出口区域得到增加，降低了船体舭涡的影响，使得水流变得更加均匀，可改善螺旋桨的来流质量，提高其推进效率；

2) 减少艉部水流分离，使紊乱的水流变得相对平稳，更加有序地流向螺旋桨，减小螺旋桨和船体的激振力，提升船舶的舒适度；

3) 采用左右不对称的半圆环组合，可调整螺旋桨进流的预旋程度，获得与螺旋桨旋转方向相反的水流，减少艉流的旋转能量损失，提高螺旋桨的推进效率；

4) 半圆环采用机翼剖面设计，采用合适的安装角度，可产生船舶附加推力，减小船舶的航行阻力。

前置整流导管具有结构简单、安装方便和节能效果好等优点，据不完全统计，该型节能装置在近30 a内已在上千艘单桨船上得到应用。根据海上试航和实际使用情况，综合运载情况、航速和海况等因素，发现该装置的节能效果可达3%～6%。

2.2.2 前置预旋导轮

前置预旋导轮由1个圆形或半圆形导管和多个内导叶片构成，安装于螺旋桨前方、螺旋桨轴上方，导叶两端分别与导管的内壁和艉部船体表面相连，导叶外周为圆型导管。导管和导叶一般都采用机翼剖面设计，导管的外形一般为前大后小的喇叭口，导叶采用多片式设计，沿周向具有不同的安装角度。针对不同的船型，需对其导管直径、导叶周向分布角度和叶片攻角进行适配设计，以改善螺旋桨上半平面入流的均匀性，产生与螺旋桨旋转方向相反的预旋流，减少螺旋桨艉流旋转能量损失，提高螺旋桨的推进效率。若叶片角度设计合理，还可产生附加推力，实现可观的节能效果。图4为前置预旋导轮几何外形和整流效果示意图。

(a) 几何外形

(b) 整流效果图4 前置预旋导轮几何外形和整流效果示意图

前置预旋导轮具有安装拆卸便捷、牢固可靠和便于检修等优点，无论是对于正在运营的船舶而言，还是对于新造船舶而言，都能很方便地安装。根据模型试验和实船应用情况，综合运载情况、航速和海况等因素，发现该装置的节能效果可达3%～8%。

2.3 桨后节能装置

2.3.1 舵球

舵球是一种安装于桨后舵叶表面的节能装置，具有流线型的回转体特征，头部紧挨着螺旋桨桨毂，其中心线与螺旋桨轴线重合。舵球的存在可消除螺旋桨桨毂后方的毂涡，减少桨毂后方紊乱的水流，减少漩涡能量的流失,提高螺旋桨的推进效率，实现船舶节能增效。图5为舵球几何外形和整流效果示意图。舵球的节能原理如下：

a) 几何外形

b) 整流效果图5 舵球几何外形和整流效果示意图

1) 受螺旋桨旋转作用的影响，桨后水流会产生切向诱导速度，螺旋桨桨毂处会产生毂涡，引起艉流旋转能量损失，安装舵球可有效削减桨后低压水流区，强迫桨毂后方水流沿舵球表面流动，在黏性作用下遏制桨毂后方旋转水流和漩涡的产生，达到整流的目的；

2) 舵球的存在可将桨后水流向外半径排挤，增大水流的截面积，减小螺旋桨艉流收缩，从而提高螺旋桨的推进效率；

3) 舵球可改善桨后水流流场的分布,减轻艉流对舵和船尾的激振作用，提高船舶的舒适度。

目前该装置已在多艘船上得到应用，经反馈其节能效果可达1%～3%，由于具有结构简单、加工和安装方便、成本低和节能效果好等优点，适于与桨前节能装置配合使用，得到了船舶所有人的广泛认可。

2.3.2 舵附推力鳍

舵附推力鳍是一种安装于桨后舵叶两侧的水动力节能装置，鳍片与水流方向呈现一定的攻角。螺旋桨诱导艉流场中存在较强的旋转流动，水流在经过鳍片所在区域时，因与鳍片发生相互作用而改变流动方向，使艉流中的旋转能量得到有效吸收，鳍片产生附加推力，从而提高船舶的推进效率。试验和应用研究结果显示，若设计的方案合理，舵附推力鳍的节能效果可达1%～4%。影响舵附推力鳍节能效果的主要因素如下：

1) 舵附推力鳍的安装角。该角度是指舵附推力鳍与桨轴线的夹角，舵附推力鳍与水流相互作用，会因水的黏性和诱导速度而产生阻力和升力，鳍片所受总阻力与升力沿轴向的合力即为助推力，是实现推进效率提升的关键因素。在有效攻角范围内，助推力会随着攻角的变化而发生变化，存在一个最佳角度范围，使舵附推力鳍的助推力达到最大。研究表明，舵附推力鳍在安装角为5°左右时的节能效果最好。

2) 舵附推力鳍的长度。舵附推力鳍的助推力大小与其长度有关。当舵附推力鳍的其他参数不变时，其展长越长，鳍片的升力和所受阻力越大。但是，由于螺旋桨艉流场中的流速相对较高，当鳍片完全处于艉流场之内时，随着鳍片展长的增加，舵附推力鳍的助推力会增大，助推效率会提高；当鳍片超出艉流场时，舵附推力鳍的助推力会随着鳍片展长的进一步增加而明显减小。为此，在设计舵附推力鳍时需合理选择鳍片展长。

3) 推力器安装位置：舵附推力鳍的垂向和轴向安装位置一般略高于螺旋桨轴中心线，位于螺旋桨艉涡过渡区内，此时其助推效果最理想。

2.3.3 毂帽鳍

毂帽鳍是一种安装在螺旋桨后方，随螺旋桨旋转的水动力节能装置，其结构特点是在螺旋桨毂帽上设计安装有小叶片，叶片的数量与螺旋桨桨叶的数量相同，均布在毂帽表面，与螺旋桨同步旋转，用以扩散毂涡，叶片半径约为桨叶半径的1/4。毂帽鳍能回收螺旋桨叶根处损失的艉流旋转能量，利用毂帽鳍叶片形成整流作用，分割和衰减桨毂毂涡，消除螺旋桨毂帽后端的低压区，恢复桨毂和毂帽的压力，减少旋涡能量损失，利用毂帽鳍叶片产生与螺旋桨叶片方向相反的反扭矩，减小螺旋桨的整体扭矩，提高其推进效率。图6为毂帽鳍几何外形和整流效果示意图。

a) 几何外形

b) 整流效果图6 毂帽鳍几何外形和整流效果示意图

毂帽鳍相比其他节能附体具有结构简单、重量轻和造价低等优点，可随螺旋桨桨帽一同拆卸，施工安装比较方便，对于毂涡较重的船舶而言节能效果尤为明显，可降低螺旋桨噪声，已在很多实船上得到应用。实船应用结果显示，毂帽鳍的节能效果平均可达2%～3%。

2.4 组合式水动力节能装置

由于不同节能装置的安装位置不同，起到的整流作用和水动力特性也不尽相同。不同节能装置扮演着不同的节能角色，在实际设计节能方案时，常通过对多种节能装置进行搭配设计，形成组合式水动力节能装置，兼顾桨前整流、桨后消涡和艉流能量回收等作用，提高节能装置的综合节能效果。常见的节能装置组合方案及其节能效果见表1。

表1 常见的节能装置组合方案及其节能效果 %

3 结 语

本文回顾了基于船舶水动力性能的船舶节能技术研究，从船型优化设计技术和船舶附加水动力节能装置2个方面分析了船舶水动力节能技术的发展现况、特点和应用效果。船型优化设计技术适用于新造船舶，是船型设计开发阶段保证船型具有优良性能的首选技术手段。本文深入分析了2种常见的船型优化方法，阐述了其技术原理、适用条件和设计流程，分析了其应用效果。船舶水动力附体节能技术适用于新船设计安装和旧船改造，是改善船舶水动力性能的补充措施。本文从节能原理和应用效果2个方面对节能附体进行了详细介绍，包括桨前节能装置(包括前置整流导管和前置预旋导轮)和桨后节能装置(包括毂帽鳍、舵球和舵附推力鳍等)，分析了不同节能装置的节能原理和预期节能效果。在进行新船设计和旧船改造时，可根据船舶的用途、航线和船型特征等选取合适的船舶节能技术。本文的研究成果可供船舶设计、制造和运管等人员参考。