內支線集裝箱船最佳航態研究

姜偉　秦江濤　馮上民　裴志勇　吳衛國

摘 要：為有效提升船舶能效，本文針對內支線敞口集裝箱船，通過數值計算分析，建立各典型載況及航速下船舶阻力與縱傾角度間的數學模型，從而在營運中通過航態最優化來實現船舶節能。

關鍵詞：內支線集裝箱船;最佳航態;船舶能效

中圖分類號：U674.13+1? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0030-03

1 研究背景

現如今，船舶工業進入到日益大型化和多樣化的時代，造船業界都在通過各種辦法來提升船舶的能效，各種新技術的應用已經成為國際海事界的共識。船舶能效的提升可有多種手段：如節能船型優化、節能附體開發、船舶動力廢熱回收與利用、電力系統優化管理、船舶航運管理方面的航線優化等，也即船舶能效貫穿于船舶的設計、制造和營運的整個生命周期。對于已投入營運的船舶，設計與建造階段的節能措施不再適用，能效提升技術主要包括航行操縱管理（如合理配載以實現最佳航態）與船體和螺旋槳工況管理（如船體污底管理）。其中最佳航態是營運船舶能效提升的最有效手段，以最佳航態營運，可有效節能減排。

關于船舶航態對阻力、快速性以及能耗的影響研究很早就開始了，上海船舶運輸科學研究所對散貨船的縱傾試驗表明最佳航態可節油4.0%-7.3%;大連理工大學對大型遠洋貨船的模型試驗與實船自航結果表明最佳縱傾可實現日節油1.117t;中國船舶科學研究中心對七萬噸級散貨輪在不同吃水狀態不同縱傾的27種方案系列試驗表明最佳縱傾對船舶阻力的影響最大可達17%。近年來，針對最佳縱傾的研究逐漸從成本高昂的模型試驗向低成本、高效率的數值模擬過渡，大連海事大學對靈便型游輪阻力的數值計算表明，最佳縱傾可降低靜水阻力1.9%左右，排放指數可降低0.8%;華中科技大學對46000 t成品油輪的數值計算表明縱傾優化可降低船舶阻力4%-5%;武漢理工大學對開發的寬扁肥大型江海直達船阻力計算表明，最佳縱傾可減阻6.5%。

一般來說，通過縱傾調整實現船舶能耗降低既可適用于中低速運輸船舶，也適用于較高航速的半滑行、滑行狀態的船舶。而且縱傾調整在諸多船舶節能措施中不影響船舶的正常營運，僅通過合理配載或壓載來調整船舶浮態，從而使船舶在特定排水量下以最佳航態來航行，因此是一個低風險、低成本的高效節能措施。在本文研究中，對一航行于南京龍潭港至上海洋山港間的256TEU集裝箱船進行了系列載況不同航速下的阻力計算分析，得到一系列不同縱傾角對應的船舶阻力曲線，可得到船舶阻力最小時的最佳縱傾，裝載時盡量使船舶浮態接近最佳縱傾角度，或通過壓載水調整至最佳縱傾角，這樣船舶在航行時阻力較小，燃油消耗較低，可實現節能減排。

2 最佳航態計算分析

2.1研究對象

研究對象為一航行于南京龍潭港至上海洋山港間的256TEU敞口集裝箱船。該船主尺度如表1所示。本船為雙底、雙舷、單甲板結構，雙機雙槳推進的尾機型敞口集裝箱船，具有球首雙尾鰭船型。主船體由7道水密艙壁劃分為首尖艙（兼壓載水艙）、首泵艙、第一貨艙（頂邊艙設壓載水艙、平臺下為淡水艙）、第二貨艙（頂邊艙設壓載水艙）、第三貨艙（頂邊艙設壓載水艙）、機艙、淡水艙、舵機艙等。

2.2阻力數值預報方法

對于特定船型，其船舶阻力與載況（吃水和縱傾角）和航速息息相關，在給定載況與航速條件下的船舶阻力可采用基于求解RANS方程的數值方法進行預報，數值求解中考慮了船體隨航速的縱傾與升沉變化。

2.2.1數值計算方法

2.2.1.1控制方程

船體繞流場中的流體為不可壓縮粘性流，符合質量守恒定律與動量守恒定律，分別滿足流體的連續性方程和納維爾-斯托克斯方程（Navier-Stokes方程，簡稱NS方程）。

由于湍流在空間域時間域中的高頻脈動，工程中難以通過直接求解NS方程的方法進行流場模擬，而往往采用求解時均化后的NS方程，即將NS方程取雷諾時均（RANS方程）是湍流場求解中通常采用的方法。由于RANS方程中出現額外的雷諾應力項，導致方程組數量少于未知物理量個數從而方程組不封閉，因此RANS方程的求解需增加額外的輸運方程或雷諾應力張量，也即湍流模型。目前常見基于RANS方程的湍流模型主要包括渦粘模型和雷諾應力模型。

2.2.1.2湍流模型

如前所述，為使方程組封閉，需要對雷諾應力項建立對應的應力應變關系來封閉方程組。Boussinesq提出了重要的渦粘假定，其認為雷諾應力與平均速度梯度滿足如下方程：

假定引入了湍動粘度項，因此雷諾應力求解的關鍵轉到湍流粘度的確定上來。目前的工程應用中綜合考慮計算效率與精度，通常采用兩方程湍流模型，如k-ε模型及k-ω模型。本文采用建立在湍流充分發展基礎上的標準k-ε模型。

2.2.1.3近壁處理方法

由于粘性與壁面影響導致出現邊界層，其中流動參數沿壁面法向梯度較大需要高密度網格以捕捉流場特征，因此為降低網格需求工程應用中通常在近壁面流場區域采用壁面函數方法建立壁面上物理量與湍流核心區的流場參數建立聯系。

2.2.1.4自由面處理

自由液面是船體繞流場中空氣與水的交界面。因船體運動時自由面形狀和位置發生改變，因此自由面求解是流場求解的一部分。自由面的處理方法主要包括界面跟蹤法和界面捕捉法，本文采用流體體積法來捕捉自由面形狀。

2.2.1.5航態求解方法

由于船體水動力分布的變化，有航速船舶的航態通常與靜浮時的情形不同，因而航態是流場求解的一部分。本文根據船舶垂向受力與重力平衡來求解其升沉狀況，根據船舶縱向力矩與縱傾回復力矩平衡來求解其縱傾狀況，從而實現船舶航態的求解。

2.2.2 數值計算模型

2.2.2.1坐標系

采用右手慣性坐標系統，原點定義在靜吃水面、縱中剖面與船中剖面的交點，x軸指向船尾為正，y軸指向右舷為正，z軸豎直向上為正。

2.2.2.2計算域與邊界條件

由于采用隨船坐標系，認為水流由前方勻速流向船舶，同時假定船舶繞流場對稱，數值模型以半個船體及周圍流體域為對象。計算域的船體邊界采用無滑移壁面邊界條件;計算域采用長方體形狀，船前邊界距船體1倍船長，側面邊界距船體1.5倍船長，頂面距甲板0.5倍船長，底面距靜水面約2倍船長，均采用速度入口邊界條件;船后邊界距船體3倍船長，采用壓力出口邊界條件;計算域中縱中剖面所在平面為對稱面。船體模型如圖1，邊界條件如圖2所示。

2.2.2.3離散網格

計算域采用切割體網格形式進行計算域的離散，船體附近則采用棱柱層網格形式以保證壁面函數與流場捕捉對近壁面網格尺度的要求;同時為保證流場捕捉對船體、自由面附近網格密度的要求，在船體與無擾動的靜水面附近采用若干網格密度盒（六面體形狀）進行網格加密。部分剖面與無擾動靜水面的網格分布如圖3所示。

2.3 數值計算結果及分析

針對不同航速與重心縱向位置（與縱傾角對應）的內支線集裝箱船進行了船舶繞流場數值模擬，并預報其船舶阻力。航速范圍為7-13節（相應傅氏數變化從0.119到0.220），船舶重心縱向位置以正浮浮心為基準分別取-3%L，-2%L，-1%L，0%L，1%L與2%L（L為船長）等6種情況。

通過對不同航態與航速工況下的內支線集裝箱船繞流數值模擬，可預報船舶阻力以及船體表面壓力、自由面波形等流場細節。

2.3.1 船舶阻力

不同工況的船舶阻力數值計算結果如表2所示，船舶阻力關于航速與縱傾角（尾傾為正）的變化規律見圖4所示。

由不同航速不同縱傾角的船舶總阻力系數曲線可見，對于某一營運航速，隨著船舶浮態由首傾向尾傾變化，其阻力一般都是先降低再上升，在某一合適的縱傾角時船舶的阻力會最低;隨著航速的提高，最小阻力所對應的縱傾角逐漸增大。在內支線船舶營運過程中，可利用上述計算結果使得船舶保持在最佳縱傾狀態，從而有效實現節油。

2.3.2流場細節

某典型工況船舶繞流場的數值計算得到的船體表面壓力（系數）分布云圖如圖5所示，其中壓力系數定義為：

式中，p為壓力，P0為大氣壓力，z為水深—即云圖中的壓力系數Cpd為去掉了重力與大氣壓強影響的水動壓力（僅顯示水線以下船體部分）。由壓力分布云圖可見，首傾時相當于船舶前體變的更為肥大，因此首部進流段縮短導致橫向流動與舭渦較為嚴重，導致較低的首部壓力以及嚴重的埋艏現象，從而使得船舶阻力增加。

數值模擬得到的興波波形如圖6所示，其中的波高以船長為特征尺度進行了無量綱化。由興波波形圖可見，首傾增大了前體的排水體積導致興波現象更為明顯，首波峰與前肩位置的波谷幅值與正浮與尾傾工況相比明顯增大。

2.3.3計算結果分析與最佳縱傾

根據內支線集裝箱船阻力隨航速與縱傾角變化的計算結果可見，在給定航速下（營運航速）船舶阻力隨總傾角變化較大，存在著最佳縱傾角度θopt，此時船舶的阻力最小。該船不同航速的最佳縱傾角總結于圖7。

3 結論

“堅持把建設資源節約型、環境友好型社會作為加快轉變經濟發展方式的重要著力點”是國家規劃綱要明確提出的目標，本文針對內支線敞口集裝箱船，通過數值計算分析，建立各典型載況及航速下船舶阻力與縱傾角度間的數學模型，從而在營運中通過航態最優化來實現船舶節能，有效提升船舶能效。

該技術方案在航行于南京龍潭港至上海洋山港間的256TEU敞口集裝箱船上進行了實船應用驗證。船舶裝載時，根據本航次載貨量和計劃航速狀況通過阻力與縱傾角間的數學模型可得到船舶的最佳縱傾角，按此最佳縱傾角指導船舶裝載，使得航行時船舶阻力最小，從而實現較低燃油消耗。按照最佳航態指導船舶營運后，航次燃油節省3.5%以上，起到了良好的效果，對提升船舶產品內在競爭力，具有積極的社會效益和經濟效益。