基于吃水差優化的船舶能效仿真研究

戚可成 方劍益 何永明 王琦

摘 要：隨著海上運輸的快速發展，其帶來的環境污染和能源的消耗也日益加劇，所以要節能減排、提高船舶營運能效水平。通過調整船舶吃水差，改變船舶的浮態，從而降低船舶航行的阻力，改善船舶的航行性能，提高船舶的能效營運水平。本文以上海海事大學的教學實習船----育明輪為研究對象，通過仿真與試驗結合，并結合項目組研發的船舶能效監控系統實測出育明輪在不同吃水差下的主機每海里油耗，得出當育明輪在滿載即吃水為11米、航速12 knots時航行，吃水差為-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、0.5米和1米六種浮態中，吃水差為-0.2米時的兩相流（空氣、水）中的阻力和船舶主機每海里油耗量最小，能效營運水平最高。

關鍵詞：能效 吃水差 船舶阻力 主機油耗

為了提高船舶營運能效，航運界提出了多種節能減排的方法，例如降速航行、航線優化、氣泡減阻、主機熱經濟學分析、采用LNG等新能源。但是，要采取這些節能減排的方法都要增加船舶的投資資本或者是降低營運效率，并且這些方法對不同的船舶有不同的適應性，因此不能進行普遍推廣。本文利用FLUENT軟件計算船舶不同吃水及不同速度時在單相流（水）、兩相流（空氣、水）中的阻力，并結合項目組研發的船舶能效監控系統實測出船舶在不同吃水差下主機每海里的油耗，比較船舶在同種工況不同吃水差下阻力和主機每海里油耗的變化趨勢，從而找出在相應工況下的最佳吃水差。

1.船舶吃水差及阻力計算模型

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與艉吃水da的差，用t表示，即：

當艏吃水大于艉吃水時，即吃水差為正值時，船舶為艏傾（Trim by bow）；當艏吃水小于艉吃水時，即吃水差為負值，船舶為艉傾（Trim by stern）；當艏吃水等于艉吃水時，即吃水差為零，船舶為平浮（Even keel）。

因船舶裝載的壓載水、貨物以及燃料的裝卸，使船舶的重心偏離船舶在正浮時的浮心位置，產生縱傾力矩，從而使船舶艏吃水與艉吃水不同。

1.2吃水差對船舶航行性能的影響

船舶不同的吃水和不同的吃水差都會對船舶的航行性能產生影響。如果船舶的艏傾過大，其首部甲板易上浪，舵葉和螺旋槳入水深度相對減小，如果遇到風浪，舵葉和螺旋槳易露出水面，形成飛車，導致船舶的航行穩定性變差，推進效率也降低。如果船舶的艉傾過大，不僅使首部底板容易受波浪拍打，船舶的操縱性會變差，駕駛臺瞭望的盲區增加，還會使航速降低。

1.3 阻力理論計算

1.3.1質量守恒方程

流體在流場中流動需要遵循物理守恒定律，其中包括質量守恒、動量守恒和能量守恒等，具體表現為連續性方程和N-S方程。

VOF方法采用了流體體積函數與流場的基本數學模型結合，從而避免采用相對復雜Marker點的方法。在每一個網格中，將一種流體的體積所占網格體積的分數將其稱為流體體積函數。將網格中全部含有這種流體時稱之為“滿”網格，包含相界面時的網格稱之為“半”網格，網格中不含有這種流體時稱之為“空”網格。所以，可以通過流體體積函數值構造運動界面，并在它附近進行精細處理，可提高精度。

3.模擬結果與試驗結果對比

3.1滿載時船舶在不同吃水差下的靜水阻力

計算船舶在不同吃水差下靜水的阻力，在水面以下船體的幾何形狀、船體的濕面積以及水線長度都不相同。本文定義吃水差為df-da，即吃水差為正值時表示船舶處于艏傾狀態，吃水差為負值時表示船舶處于艉傾狀態，在育明輪在滿載即吃水11米、速度12knots時，分別計算-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、+0.5米和+1米六種不同吃水差下的阻力。對于計算出的阻力主要用于分析船舶在改變吃水差前后的阻力變化，為了更明顯的反映阻力變化需引入阻力增減比，即：

增減比=（吃水差改變后的阻力-平吃水的阻力）/平吃水的阻力×100%

當育明輪在航行時，其艏艉處的存在壓強差以及艉部的回流會產生船舶阻力，阻力主要存在于船艏部分，并且船艉處的受力方向和船艏的受力方向相反。通過計算，得出的阻力如表1。

為了可以明顯的觀察滿載狀態速度12knots時不同吃水差下的兩相流中的阻力變化，作出圖2。

當滿載速度為12knots、滿載狀態時，育明輪在艏傾和較大的艉傾下都會使船舶的靜水阻力增加，在一定的艉傾狀態下可以降低船舶阻力，當吃水差為-0.2米時，船舶的阻力最小，相比于平吃水時阻力可減少4.79%。

3.2滿載時吃水差變化下的主機油耗

通過安裝在育明輪上的船舶能效監控系統測出船舶在不同吃水差下主機每海里的油耗，為了更明顯的反應不同吃水差下主機每海里的燃油消耗量的變化，用燃油消耗量增減比來表示，即：

增減比=（吃水差改變后主機燃油消耗量-平吃水主機燃油消耗量）/平吃水主機燃油消耗量×100%

當育明輪的速度為12knots、滿載狀態下，-1.4米、- 0.37米、-0.2米、0米、+0.5米和+1米六種不同吃水差下消耗的燃油量具體數據如表2：

為了更能明顯的看出不同吃水差下的主機每海里油耗的變化，作出圖3：

由此可知，育明輪在艏傾時，主機每海里的油耗量比平吃水主機每海里油耗量都有所增加，能效營運水平都比平吃水時低，在較大的艉傾即吃水差為-1.4米時，主機每海里油耗量與平吃水相比有很大的增加，能效運營水平顯著降低，在比較小的艉傾下，其運營能效水平有所提高，尤其在吃水差為-0.2米時主機每海里的油耗量最小，能效營運水平最高。

4.結論與展望

調整船舶首尾的吃水使其在不同的吃水差下航行是一個綜合性的問題，首先考慮船舶的穩性、強度等保證船舶能安全航行，然后再考慮船舶的營運能效水平。本文以上海海事大學教學實習船——育明輪為研究對象，通過仿真與試驗結合，利用FLUENT軟件對船舶在不同吃水差下的靜水阻力、空氣與水兩相流中的阻力進行了數值計算，并與船舶能效監控系統在同種工況實測的油耗數據進行對比，得出當育明輪在滿載即吃水為11米、航速12節時航行，吃水差為-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、0.5米和1米六種浮態中，吃水差為-0.2米時的兩相流中的阻力和船舶主機每海里油耗量最小，能效營運水平最高。另外還需進一步對其他工況進行研究，從而能夠為實船航行提供全面的數據，使船舶在各個工況下都能在最佳吃水差下航行，實現節能減排。

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