尹奇志 丁卓然 周新聰 彭鐵華

(1.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)國家水運安全工程術(shù)研究中心 武漢 430063；3.武漢理工大學(xué)船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室 武漢 430063；4.廣西壯族自治區(qū)北部灣港口管理局 南寧 530012)

0 引 言

為了推進(jìn)內(nèi)河船舶的節(jié)能減排，2017年中國船級社對2012年發(fā)布的《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》進(jìn)行了更新，該指南為我國內(nèi)河船舶新船能效設(shè)計指數(shù)(energy efficiency design index，EEDI)測試提供了參考[1]。但在EEDI測試的過程中，由于被測試船舶主機轉(zhuǎn)速、測試航道水深和風(fēng)速等多種因素可能會導(dǎo)致EEDI測試結(jié)果與實際值產(chǎn)生偏差，因此，了解船舶主機轉(zhuǎn)速和通航環(huán)境等因素對船舶EEDI測試結(jié)果的影響程度可以指導(dǎo)內(nèi)河船舶EEDI測試，幫助船檢人員獲取相對準(zhǔn)確的內(nèi)河船舶EEDI測試結(jié)果，從而提高內(nèi)河船舶的能效水平。

自從EEDI測試的要求發(fā)布以來，許多單位對EEDI的影響因素和計算方法進(jìn)行了分析。例如，中國船級社的楊世知等對船舶能效設(shè)計指數(shù)的公式進(jìn)行了解讀并依此分析了溫室氣體減排措施，主要包括技術(shù)性減排、營運性減排和基于市場的減排措施3個方面，在具體的減排方式收益對比上，航程優(yōu)化、主機監(jiān)控、高效推進(jìn)裝置、氣膜減租、氣體燃料和廢熱回收幾種減排措施成本效益較高[3]。上海船舶研究設(shè)計院的孫家鵬等[4]針對幾型具有代表性的客滾船，分析了載重量、航速等因素變化對EEDI的影響敏感度,得出了國內(nèi)航行及中韓航線客滾船當(dāng)前的EEDI水平。大連中遠(yuǎn)船務(wù)技術(shù)中心的徐洪祥等結(jié)合該廠某船實例來具體計算了EEDI值[5]，但沒有進(jìn)行進(jìn)一步的分析。倫敦大學(xué)學(xué)院的BUCKNALL[6]等研究了液化天然氣船的EEDI計算并提出了將甲烷排放納入當(dāng)前EEDI計算的方法，對EEDI計算公式中能效創(chuàng)新技術(shù)影響部分的計算進(jìn)行了優(yōu)化。但這些研究大多針對的是海船的EEDI，目前缺少針對內(nèi)河船舶的EEDI測試影響因素仿真研究，內(nèi)河的EEDI分析缺少相關(guān)的研究支持。

目前的船舶能效測試系統(tǒng)和測試方法對部分內(nèi)河船舶而言成本較高，且部分測試設(shè)備不便于安裝在噸位較小的內(nèi)河船舶之上，因此，需要建立仿真模型對內(nèi)河船舶EEDI測試進(jìn)行分析。筆者建立了考慮西江船舶航行環(huán)境的船舶EEDI仿真計算模型，利用實測數(shù)據(jù)對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證；最后利用仿真模型對主機轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、淺水等種因素對船舶EEDI測試結(jié)果的影響進(jìn)行了分析。

1 船舶EEDI計算公式

EEDI的含義是單位船舶運輸量和CO2排放量的比值，在最新的《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》中給出的內(nèi)河船舶EEDI計算公式見式(1)[1]。

(1)

式中：nME/nAE為主機/輔機臺數(shù)；PME(i)/PAE(i)為主機/輔機功率，kW；SFCYME(i)/SFCQME(i)為第i臺主機在75%最大持續(xù)功率(maximum continuous rating，MCR)下的燃油/氣體燃料消耗率，為g/(kW·h)；SFCYAE(i)/SFCQAE(i)為與PAE(i)相對應(yīng)的輔機的燃油/氣體燃料消耗率，g/(kW·h)；CFME(i)/CFAE(i)為第i臺主機/輔機所用燃料的CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)，包括燃油和氣體燃料；neff，feff(i)，Peff(i)/PAEff(i)為能效創(chuàng)新技術(shù)相關(guān)參數(shù)；Vref為在無風(fēng)無浪的平靜水域下，船舶在滿載工況及主機按75%額定功率推進(jìn)的情況下在深水中的航速，kn；Capacity為載運能力，對于散貨船，船舶載重噸應(yīng)用作設(shè)計載運能力；fj，fi，fc為與船型有關(guān)的EEDI計算參數(shù)。

在EEDI的計算公式中，主機/輔機臺數(shù)、CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)、能效創(chuàng)新技術(shù)相關(guān)參數(shù)等對于1臺確定的對象船舶而言是常數(shù)，需要測量的參數(shù)只有船舶油耗率和船舶航速。其中主機油耗率受到主機轉(zhuǎn)速變化的影響；船舶航速與船舶阻力有關(guān)，而船舶阻力又受到通航環(huán)境的影響。對于營運于西江航道的對象船舶，影響較大的通航環(huán)境因素有風(fēng)速與水深，因此，筆者主要分析主機轉(zhuǎn)速、風(fēng)速和航道水深對EEDI測試結(jié)果的影響。

2 船舶EEDI仿真計算模型建立

根據(jù)船舶運動學(xué)理論和船-機-槳匹配理論，船舶EEDI仿真計算模型包括船舶阻力模塊、船舶運動模塊、螺旋槳模塊、主機模塊4部分[7]。以1艘西江航線的千噸級散貨船為例，利用Matlab/Simulink建立了船舶EEDI仿真計算模型，對象船舶的主要參數(shù)見表1。

具體建模方法如下。

2.1 船舶阻力模塊

船舶阻力模塊用于描述船舶在水中航行時船體所受的靜水阻力以及風(fēng)、浪、淺水等通航環(huán)境增阻。其中船舶靜水阻力通過CFD方法計算，通航環(huán)境增阻利用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。

表1 對象船舶主要參數(shù)

2.1.1 船舶靜水阻力計算

利用CFD流體計算軟件對對象船舶的靜水阻力進(jìn)行計算，計算步驟包括船體三維建模、流體域設(shè)置以及網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、求解等[8]。

1) 船體三維建模。因此利用Catia軟件以1∶50的縮尺比建立船模尺度下船舶三維模型。對象船舶的船型參數(shù)見表1。

2) 流體域設(shè)置以及網(wǎng)格劃分。在船體模型的外側(cè)畫出1個長方體作為流體域。采用Gambit軟件實現(xiàn)對船舶流體域網(wǎng)格的劃分。由于船體部分型線復(fù)雜，因此網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。為了加速計算，僅研究半船模型的受力情況。流域設(shè)置以及網(wǎng)格劃分圖見圖1。

圖1 流體域設(shè)置及網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Fluid domain setting and meshing

3) 邊界條件的設(shè)定及計算結(jié)果求解。設(shè)定計算的邊界條件并利用fluent計算得到對象船舶的船模阻力。根據(jù)三因次阻力換算法，將目標(biāo)船的船模阻力計算結(jié)果換算為實船裸船體阻力，以得到的船舶靜水阻力為縱坐標(biāo)，對水航速為橫坐標(biāo)輸入Simulink的look-up模塊。

2.1.2 通航環(huán)境增阻計算

利用經(jīng)驗公式對船舶通航環(huán)境增阻進(jìn)行了計算，包括風(fēng)阻力、波浪增阻、淺水阻力及水流阻力，各阻力的計算方法如下。

1) 風(fēng)阻力。對于風(fēng)阻力，僅考慮目標(biāo)船沿船舶航行方向上的受力，采用Blendermann方法計算[9]。

2) 波浪增阻。對于波浪阻力，選用了適用于內(nèi)河船舶的拉特涅爾方法[10]進(jìn)行計算。

3) 淺水阻力。對于淺水阻力，采用胡緒锠[7]提出的適用于內(nèi)河船舶的淺水阻力換算系數(shù)法。對于需要考慮淺水阻力的水深閾值，采用第23屆ITTC會議提出的不計淺水影響的最小水深計算公式[11]計算可知，對于對象船舶而言，需要考慮淺水阻力的水深閾值為16.8 m。

4) 水流阻力。對于水流阻力，認(rèn)為水流速度對船體運動的影響只是表現(xiàn)在速度上。對于直線勻速航行的船舶，認(rèn)為均勻流不會對船體產(chǎn)生阻力[11]，因此，在理論模型中沒有考慮水流阻力的影響。

2.2 船體運動模塊

船體運動模塊用于描述船舶在主機推力與航行阻力的共同作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的航速。只采用船舶在前進(jìn)方向上的運動方程，考慮由于黏性引起的附加質(zhì)量[13]，附加質(zhì)量采用周昭明[14]提出的船舶附加質(zhì)量公式計算。

2.3 螺旋槳模塊

螺旋槳模塊用于描述螺旋槳的特性，包括螺旋槳的有效推力、轉(zhuǎn)矩以及敞水效率。目標(biāo)船的螺旋槳為B型螺旋槳。通過查詢B型螺旋槳圖譜，結(jié)合部分試驗數(shù)據(jù)對推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)進(jìn)行多項式擬合[15]，擬合出兩者關(guān)于進(jìn)速系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。

2.4 船舶主機模塊

船舶主機模塊用于描述船舶主機油耗特性。使用采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到對象船舶的主機特性曲線。

2.5 船舶EEDI仿真模型建立

將上述4個模塊輸入Matlab/Simulink，建立船舶EEDI模型仿真模型，船舶EEDI仿真模型的系統(tǒng)封裝結(jié)果見圖2。

圖2 船舶EEDI仿真模型Fig.2 Simulation model of EEDI

2.6 模型精度驗證

為了驗證模型的精度，將仿真計算得到的油耗數(shù)據(jù)與實船測試的油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實船測試選在西江2條水深不同的平直航段進(jìn)行，每航次的有效測試時間為5 min。在目標(biāo)船上安裝的船舶能效采集系統(tǒng)中采集到的未用于建模的數(shù)據(jù)中選取部分?jǐn)?shù)據(jù)，輸入實測數(shù)據(jù)中的轉(zhuǎn)速和航行環(huán)境變量，通過仿真模型輸出EEDI計算值。對比情況見表2。

由表2可以看出，模型仿真結(jié)果與實船測試結(jié)果比較相近，通過計算結(jié)果，與實測值相比，EEDI模型油耗仿真結(jié)果的平均誤差為2.77%。考慮到建模時采用了許多簡化公式和測試時的測量誤差，所產(chǎn)生的誤差在可接受范圍內(nèi)。

表2 模型油耗仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比驗證表

3 各因素對船舶EEDI測試結(jié)果的影響

3.1 主機轉(zhuǎn)速偏差對船舶EEDI測試結(jié)果的影響

機轉(zhuǎn)速直接影響主機的油耗，是EEDI測試過程中唯一可控的影響因素。為了分析主機轉(zhuǎn)速偏差對船舶EEDI測試結(jié)果的影響，在水深、風(fēng)向相同的條件下對3.5，5和6.5 m/s 3種風(fēng)速下不同轉(zhuǎn)速的EEDI計算結(jié)果進(jìn)行仿真。計算參數(shù)設(shè)定為：相對風(fēng)向0°；水深20 m；波高0 m；船舶EEDI計算結(jié)果隨測試轉(zhuǎn)速的變化如圖5所示。對象船舶主機100% MCR時的主機轉(zhuǎn)速為1 580 r/min，75% MCR下的主機轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。其中，在6.5 m/s的相對風(fēng)速下，EEDI的仿真結(jié)果為40.08 g/(t·n mile)。

圖3 EEDI仿真結(jié)果隨轉(zhuǎn)速變化圖Fig.3 EEDI simulation results change withmain engine speed

由圖3可見，仿真計算得到的EEDI值隨著主機轉(zhuǎn)速的增大而增大。在實際測試過程中，對象船舶的主機轉(zhuǎn)速偏差可以控制在±15 r/min以內(nèi)，相對于75% MCR工況下的轉(zhuǎn)速偏差率為1.03%，在該范圍內(nèi)，EEDI仿真結(jié)果范圍為39.46 ～40.76 g/(t·n mile)，相對于75% MCR工況下的EEDI仿真結(jié)果偏差率為-1.55%～1.7%。

但當(dāng)主機轉(zhuǎn)速偏差擴大到±50 r/min，相對于75% MCR工況下的轉(zhuǎn)速偏差率擴大到3.45%時，EEDI仿真結(jié)果范圍將增大至38.04 g/～42.37 g/(t·n mile)，此時相對于75% MCR工況下的EEDI仿真結(jié)果偏差率為-5.1%～5.7%。由上述分析可以看出，主機轉(zhuǎn)速偏差率超過3.5%時，對EEDI測試結(jié)果的影響將超過5%；且在偏差程度相同時，轉(zhuǎn)速偏小造成的影響小于轉(zhuǎn)速偏大造成的影響。

3.2 水深對EEDI測試的影響

為了分析航道水深對EEDI測試結(jié)果的影響，在風(fēng)速、風(fēng)向、浪高相同的條件下對轉(zhuǎn)速為1 400，1 450和1 500 r/min時不同航道水深的EEDI計算結(jié)果進(jìn)行仿真。計算參數(shù)設(shè)定為：相對風(fēng)速6.5 m/s；相對風(fēng)向0°；波高0 m；船舶EEDI計算結(jié)果隨水深的變化見圖4。

圖4 EEDI仿真結(jié)果隨水深變化圖Fig.4 EEDI simulation results change with water depth

由圖4可見，仿真計算得到的EEDI值隨著航道水深的減小而增大。當(dāng)航道水深為7 m時，計算得到的EEDI為42.24 g/(t·n mile)，與深水航道下的計算結(jié)果40.02 g/(t·n mile)相比增加了5.4%，此結(jié)果與淺水航段的測試試驗結(jié)果相近。且當(dāng)水深小于8 m后，EEDI仿真值的增長速度明顯變快。因此，對象船舶的同型船在測試EEDI時應(yīng)盡量選擇水深超過16.8 m的航段。如果測試時間是枯水期，也應(yīng)選擇水深大于8 m的航段。

3.3 風(fēng)速對EEDI測試結(jié)果的影響

利用計算模型對風(fēng)速的影響進(jìn)行分析。計算參數(shù)設(shè)定為：相對風(fēng)向0°；波高0 m。分別計算轉(zhuǎn)速為1 400，1 450和1 500 r/min下船舶EEDI計算結(jié)果隨船舶航向上的風(fēng)速的變化。當(dāng)船舶航向上的風(fēng)速為0時，主機轉(zhuǎn)速為1 450 r/min時計算得到的EEDI為38.67 g/(t·n mile)。考慮到實際測量時會在同一航段進(jìn)行往復(fù)測試，計算相同絕對值的風(fēng)速下的平均EEDI計算結(jié)果見圖5。

圖5 EEDI仿真結(jié)果隨風(fēng)速變化圖Fig.5 EEDI simulation results change with wind speed

由圖5可見，船舶EEDI計算結(jié)果隨測試時船舶航向上的風(fēng)速增大而增大。隨著風(fēng)速增大，EEDI計算結(jié)果的增長速度也明顯加快。當(dāng)船舶航向上的風(fēng)速由0 m/s增大到8 m/s(約為4～5級風(fēng))時，EEDI計算結(jié)果由38.67 g/(t·n mile)增大到了40.46 g/(t·n mile)，增大了4.6%?？梢哉J(rèn)為對象船舶的同型船測試時若船舶航向上的平均風(fēng)速小于8 m/s (4～5級風(fēng))，不需要單獨考慮風(fēng)速對測試產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)束語

基于船舶靜水阻力計算公式、EEDI計算公式和船-機-槳匹配原理建立了船舶EEDI仿真計算模型，并利用實測數(shù)據(jù)對能效模型有效性進(jìn)行了驗證。同時分析了主機轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、水深等因素對船舶EEDI測試時的影響情況。研究結(jié)果表明，所建立的EEDI模型油耗仿真結(jié)果與實船測試結(jié)果比較相近，可用于船舶EEDI測試指導(dǎo)和測試結(jié)果分析。對于對象船舶而言，主機轉(zhuǎn)速偏差率大于3.5%、水深小于8 m或風(fēng)速大于5級時通航環(huán)境對EEDI測試結(jié)果的影響將超過5%。

在建立船舶EEDI計算模型的過程中，仍然有很多未考慮的因素，如船舶的橫搖、縱搖、升沉運動等船舶航行姿態(tài)因素、航道寬度等航道環(huán)境因素都會影響船舶EEDI的測試結(jié)果。隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，需要進(jìn)一步探索這些因素對船舶阻力以及船舶EEDI測試的影響。