基于縱傾優化的油船節能研究

高現嬌，孫江龍,2,3，黃本燊，鐘 誠

(1. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2. 船舶與海洋工程水動力湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240)

基于縱傾優化的油船節能研究

高現嬌1，孫江龍1,2,3，黃本燊1，鐘 誠1

(1. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2. 船舶與海洋工程水動力湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240)

以成品油船的阻力性能為優化指標，根據船體型線圖，采用CATIA及ICEM軟件，建立三維模型及計算域，劃分結構性網格；采用計算流體力學軟件（Fluent）計算目標船在變縱傾狀態和吃水下的阻力值，并與船模拖曳試驗相比較，分析縱傾變化對船舶阻力性能的影響規律。結果表明：該方法可以確定船舶在不同吃水下的最優縱傾值，并為船舶的實際運營提供建議，從而提高船舶的節能減排率，為發展綠色船舶提供新方向。

結構網格；數值模擬；船模試驗；縱傾優化；節能減排

0 引 言

近年來，隨著航運業低運價、高油價情況的持續，各航運公司開始降低運營成本來提高生存競爭力。而在船舶的整個生命周期中，與燃油相關的成本占總成本的約40%～60%[1]，此外國際海事組織（IMO）也對船舶的能效設計指數（EEDI）和營運指數（EEOI）作出規定以限制二氧化碳排放量，因此對船舶進行節能改造以降低油耗是提高競爭力的關鍵所在。

進行水動力性能優化是船舶節能減排的一個重要研究方向，主要包括對船舶進行線型優化、對已營運船舶進行球鼻首改裝、安裝節能裝置和縱傾優化4個方面[2]。韓國大宇造船廠對超大型原油運輸船（VLCC）進行型線優化，降低了5%的油耗；武漢理工大學對某漁船進行球鼻首改裝，使設計狀態下的總阻力降低了6%；節能裝置則是在船舶的尾部安裝整流鰭、舵球等整流裝置以均勻螺旋槳進流，從而提高船舶的推進效率，但節能效果因船型和節能裝置的不同而異，綜合來說節能效率可達2%～8%[3]；但線型優化、球鼻首改裝通常僅只是針對特定的航速和吃水（通常是設計航速和設計吃水）下才會達到理想的節能效果[4]，當船舶的航行姿態發生變化時節能效果便會降低甚至會引起油耗增加，安裝節能裝置雖然在一定程度上降低油耗，但會增加投資成本并降低船舶的營運效率，而縱傾優化是在保證船舶的排水量不變的情況下，通過調節裝載或壓載水來改變船體水下部分的流體線型和靜水阻力從而降低油耗，既可用于綠色船舶的設計研發，又能用于現已營運的船舶，是未來綠色船舶的重要發展方向[5–7]。縱傾優化作為最容易實現的節能手段之一，既能降低油耗、提高營運優勢又能減少對環境的污染，越來越受到重視[8–9]。

本文以某成品油船的阻力性能為優化指標，采用CATIA及ICEM軟件，根據船體型線圖及其型值參數，建立船體三維模型及控制域，劃分結構性網格；采用CFD軟件（Fluent）計算目標船在不同變縱傾狀態下的阻力值，并與試驗結果相比較，分析縱傾變化對船舶阻力性能的影響規律。結果表明：該方法可以確定船舶在不同吃水下的最優縱傾值，并為船舶的實際運營提供建議，從而提高船舶的節能減排率。

1 數學模型

1.1 建立模型

本文以某46 000 t成品油輪為目標船，該船實際運營中存在多種工況，因此有必要開展縱傾優化工作以確定最優節能方案。該船具體船型參數及營運工況如表1所示。

由于該船實際營運中存在較多工況，為了節約計算成本，本文選取實際運營中在設計航速下Vs=11 kn較為典型的3種工況（壓載、設計吃水、滿載）進行計算，同時考慮到船模試驗中對水池長度、拖車速度、池壁干擾現象和堵塞效應的限制，取模型縮尺比λ=36以便于和試驗結果進行對比。

在Catia的創成式曲面設計模塊中，選擇三維笛卡爾坐標系O-XYZ為建模坐標系，坐標軸定義為：以中線面、基平面和尾站面的交點為坐標原點，基平面與尾站面的交線為Y軸，指向右舷為正；中線面與尾站面的交線為Z軸，向上為正；Z軸服從右手坐標系[10]。根據目標船的型線圖及型值表進行三維船體建模，并利用曲線光順命令確保相鄰的船體曲面光順結合，建模效果如圖1所示。

表 1 油船基本參數Tab. 1 Basic parameters of oil tanker

表 2 油船計算工況Tab. 2 Calculating conditions of oil tanker

1.2 控制方程

RANS方程是粘性流體運動學和動力學的普適性控制方程[11]，本文用它作為求解船體阻力的基本方程，其形式如下：

式中：ρ為流體密度；p為靜壓；fi為單位質量的質量力；ui，uj均為速度分量。

對RANS方程進行求解時，RNG k-ε湍流脈動耗散方程能更好地模擬船體周圍的分離流、復雜流等二次流動：

對于自由液面的波動，本文采用VOF法多相流模型進行模擬：

式中：a1，a2分別為空氣相和水相的體積分數。

2 網格劃分及計算策略

網格劃分是CFD模擬過程中用時較多的環節，也是影響數值計算的模擬精度、穩定性和收斂速度的關鍵因素之一，網格過密或過疏都會極大地影響計算結果。網格過疏，計算結果會與實際值相差較遠甚至得到錯誤的計算值，網格過密，使計算量增大且計算難以收斂。

因此，本文在網格劃分時使用了局部加密的方法，在遠離船體周圍流場的入口段和出口段，將其密度給予適當降低，以便于控制網格總數，而在船體附近曲率變化大的地方則逐步過渡加密，這樣不僅能夠提高計算精度，還能避免流場變化平緩區域的計算資源浪費[12]。

本文計算流域的選取為：入口距離船首一倍船長，出口距離船尾兩倍船長，吃水方向距離船體底面一倍船長，船寬方向距離中縱剖面一倍船長，由于是數學模型，左右嚴格對稱，因此為了節約計算成本，計算時只需取一半計算模型即可，網格總數約為110萬。計算模型及網格劃分效果如圖2所示。

計算策略為：瞬態計算，船體中縱剖面所在的面設置為對稱面，類型為SYMMETRY，動量、湍流動能和湍流耗散率均采用2階迎風格式進行離散，入口為速度入口，出口為水流出口，流域的壁面設置為速度入口以模擬無限流場，來流速度與航速大小相同，方向相反，由于粘性流體在壁面處的應滿足無滑移條件，故設置為不可穿透的WALL，如表3所示。

表 3 邊界條件計算策略Tab. 3 Calculation strategy of the boundary conditions

3 計算結果及分析

3.1 流場分析

圖4為設計吃水下D=10.2 m下尾傾0.6 m、平浮、及首傾0.6 m時的船體表面動壓力云圖及圖及波高圖。橫向對比動壓力云圖中可以看出，從船首到船尾船體表面動壓力云圖先增大（一般在18～20站達到最大）后減小，在船尾處又略微增大，但明顯小于船首動壓力云圖，這是由于水的粘性作用，使船體前后表面產生壓力差，是產生粘壓阻力的原因。

縱向對比還可以發現，首傾0.6 m下的船首動壓力比平浮和尾傾下的明顯小很多，說明縱傾對船體周圍流場產生了顯著影響。從波高圖中可以看出，在船的首尾附近處產生波峰，興波最為明顯，這是興波阻力產生的體現；尾傾狀態下，首部和尾部的波浪均比首傾和平浮時有所降低，說明該狀態下船體興波阻力也有所減小。

3.2 CFD計算結果與試驗結果的對比

模型試驗在華中科技大學船舶拖曳水池內進行，該水池的主要參數如下：長、寬、深分別為175 m×6 m× 4 m，拖車加速度約為0.67 m/s，最大運行速度為8 m/s。船模縮尺比為36，表面進行光潔處理，為了使船模的邊界層處于紊流狀態，在19站處安裝人工激流絲，船模及其在拖曳水池中的狀態如圖6所示。

為了驗證CFD數值計算的可靠性，分別將3種吃水下各個縱傾狀態的數值計算值Rm與試驗值Rs進行對比，并繪制成縱傾-阻力曲線圖。

如圖7所示：虛線為CFD的數值計算數據，實線為船模拖曳試驗結果。通過對比可以發現：雖然數值計算值與試驗值有一定的差異（主要與計算域的選取、網格的劃分、水溫的不同有關），但總體而言數值計算值與試驗值相差不大，且誤差基本控制在4%范圍內，滿足工程精度的要求，同時CFD計算得到的縱傾-阻力變化規律與船模試驗的變化規律表現出良好的一致吻合性，即用數值模擬方法來求解船舶的阻力性能可靠。

表 4 CFD值與試驗值的對比Tab. 4 Comparisons of the CFD and experiments results

從圖中還可以看出，在排水量和航速保持不變的情況下，船舶的阻力會隨著縱傾狀態而發生變化，從而驗證了可以通過調節縱傾來降低船舶的節能減排率，為發展綠色船舶提供了新思路。縱傾值與阻力之間的具體變化規律與船舶的吃水有關，當船舶處于平均吃水Dm=7.8 m的壓載狀態時，船舶的水阻力隨著尾傾值的增大而增大，適當首傾有利于減小水阻力，船舶在該工況下的最佳縱傾值為首傾0.5 m，具有3.34%的節能潛力；當船舶在設計吃水Dm=10.2 m時，水阻力隨著首傾值的增大而減小，首傾和適當角度的尾傾有利于減小水阻力，船舶在該工況下的最佳縱傾值為首傾2 m，具有5.94%的節能潛力；當船舶在滿載吃水Dm=12 m時，水阻力隨著首傾值的增大而減小，隨著尾傾的增大而增加，船舶在航行過程中應避免尾傾狀態，該工況下的最佳縱傾值為首傾2 m，具有4.41%的節能潛力。

4 結 語

綜上所述，經過CFD數值模擬和船模試驗驗證，在保證船舶安全性與操縱性的范圍內，利用調節船舶縱傾來降低船舶的阻力，提高節能減排率可行，并且觀察得到了3個主要結論：

1）經過試驗驗證，利用CFD數值模擬船體周圍流場并求解船體水阻力完全可行。

2）在排水量保持不變的情況下，縱傾狀態的變化對船體水阻力產生一定的影響，但具體的影響規律與船舶的裝載狀態有關，一般情況下首傾可降低阻力，但當船舶處于設計吃水狀態時適當角度的尾傾也可以降低阻力。

3）實船運行過程中存在多個工況，本文只研究了3個工況下的縱傾對阻力的影響規律，對其他狀態的具體規律還需要進一步研究，以便能夠提供較為全面的數據指導實船航行。

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A study on energy-saving for an oil tanker based on trim optimization

GAO Xian-jiao1, SUN Jiang-long1,2,3, HUANG Ben-shen1, ZHONG Cheng1
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Hubei Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering Hydrodynamics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Collaboration Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, CISSE, Shanghai 200240, China)

The purpose of this study is to optimize the resistance performance of an oil tanker, in this paper, the threedimensional ship model, calculation basin and structural meshing were performed by using the software of CATIA and ICEM according to the lines plan of the oil tanker, computational fluid dynamics software (FLUENT) was utilized to calculate the resistance of the oil tank in various trim conditions and drafts, then we compared the results calculated by numerical simulation with the towing tank test results to analyze the influence of trim variation on ship resistance performance. It is concluded that this method can find the optimal trim value in various drafts and provide practical advice for actual operating of the real ship, and as a result, it can improve the efficiency of energy-saving and emission reduction, and provide a new direction for the development of green ship.

structural mesh；numerical simulation；towing tank tests；trim optimization；energy-saving and emission reduction

U661.3

A

1672 – 7649(2017)08 – 0070 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.015

2016 – 09 – 12；

2016 – 10 – 09

國家自然科學基金資助項目(51474109，51679097)

高現嬌(1989 – )，女，碩士研究生，研究方向為艦船水動力學。