郭峰山，茍英迪，李鵬程，趙強(qiáng)

(1. 中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011；2. 中船重工（上海）節(jié)能技術(shù)發(fā)展有限公司，上海 200011；3. 洲際船舶管理公司，山東 青島 266101)

0 引 言

當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)面臨轉(zhuǎn)型，船舶的經(jīng)濟(jì)性能較以往顯得更加突出，由于船舶能耗對(duì)航運(yùn)企業(yè)的盈利影響顯著，故而船舶能耗成為船東非常關(guān)心的指標(biāo)之一。另一方面，由于運(yùn)力極大，船舶航行會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體和污染物，采用船舶運(yùn)輸必須要更多地考慮對(duì)環(huán)境的影響。近年來，國際社會(huì)環(huán)保呼聲越來越高，加強(qiáng)對(duì)船舶運(yùn)營廢棄物排放和船舶解體廢棄物的控制受到了越來越多的關(guān)注。2011年7月MEPC第62次會(huì)議上，國際海事組織IMO對(duì)船舶的二氧化碳排放提出了控制要求，船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI到2019年要比基線下降10%，到2024年要下降20%，2025年及以后要下降30%[1]。在船舶上應(yīng)用節(jié)能技術(shù)是有效降低船舶主機(jī)燃油消耗進(jìn)而減少有害物質(zhì)排放的重要手段。水動(dòng)力節(jié)能裝置（Energy Saving Device，ESD）作為安裝在船上的一種附體，具有幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大船東的青睞[2]。早期，一般通過模型試驗(yàn)來驗(yàn)證評(píng)估水動(dòng)力節(jié)能裝置的節(jié)能效果，開發(fā)周期長(zhǎng)，且成本較高。而近年來，CFD方法已逐漸成為船舶水動(dòng)力性能分析的重要工具[3]。

前置預(yù)旋導(dǎo)輪（PSV）是一種由導(dǎo)管和定子組合而成的水動(dòng)力節(jié)能裝置，裝于螺旋槳前方的船體上，圖1為前置預(yù)旋導(dǎo)輪實(shí)船應(yīng)用照片。前置預(yù)旋導(dǎo)輪以較小的阻力為代價(jià)，產(chǎn)生預(yù)旋進(jìn)流以降低螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)能量損失，從而提高了螺旋槳的推進(jìn)效率[4]。前置預(yù)旋導(dǎo)輪的實(shí)船應(yīng)用越來越多[5]，其良好的節(jié)能效果已得到了眾多模型試驗(yàn)和實(shí)船測(cè)試的驗(yàn)證，然而對(duì)該組合式節(jié)能裝置各部分的分析卻報(bào)道較少。本文旨在通過CFD方法，結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，分析前置預(yù)旋導(dǎo)輪（后文簡(jiǎn)稱導(dǎo)輪）各部分對(duì)其節(jié)能效果的影響。

圖 1 安裝在船尾的前置預(yù)旋導(dǎo)輪照片F(xiàn)ig. 1Photograph of PSV on a vessel

1 節(jié)能裝置設(shè)計(jì)

本文選取了一條7萬噸級(jí)油船，該船型主要參數(shù)見表1。根據(jù)該船尾部的型線和螺旋槳參數(shù)，利用CFD方法優(yōu)化設(shè)計(jì)了槳前水動(dòng)力節(jié)能裝置——導(dǎo)輪。模型縮尺比31.185，計(jì)算船模速度為1.2574 m/s（對(duì)應(yīng)實(shí)船14.5 kn），槳模直徑為216 mm。導(dǎo)輪可以看成由導(dǎo)管和定子2個(gè)部分構(gòu)成，為了便于分析本文將其拆分為2種節(jié)能裝置，分別為導(dǎo)管和定子，如圖2所示。其中導(dǎo)管和定子的參數(shù)都與導(dǎo)輪的對(duì)應(yīng)部件相同，從阻力及自航性能方面對(duì)原型和這2種節(jié)能裝置加以分析。

表 1 船體主要參數(shù)Tab. 1Main parameters of the ship

圖 2 節(jié)能裝置三維模型Fig. 23D model of ESD for analysis

2 數(shù)值方法

2.1 控制方程

本文的數(shù)值計(jì)算采用商用流體力學(xué)軟件進(jìn)行[6]，控制方程為慣性坐標(biāo)系下的不可壓縮Navier-Stokes方程：

2.2 計(jì)算域網(wǎng)格及求解方法

考慮到節(jié)能裝置附體對(duì)船體興波阻力的影響甚微[8]，本文采用疊模進(jìn)行計(jì)算，不帶自由面。計(jì)算域?yàn)榘雮€(gè)圓柱，船首向前延伸1倍船長(zhǎng)為流場(chǎng)入口，船尾向后延伸1.5倍船長(zhǎng)為流場(chǎng)出口。為了實(shí)現(xiàn)高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，所有算例均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分形式（見圖3），第2層網(wǎng)格y+值約為23。為了盡可能減少網(wǎng)格變化帶來的影響，所有算例中，除船尾區(qū)域的網(wǎng)格改變外，其他部分的網(wǎng)格形式保持不變[9]。

圖 3 計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig. 3Mesh of CFD domain used in calculation

采用有限體積法對(duì)三維不可壓縮RANS方程進(jìn)行離散，其中對(duì)流項(xiàng)以2階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散。由于不可壓縮流體在數(shù)值計(jì)算過程中速度和壓力無法同時(shí)求解，計(jì)算中采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的半隱式SIMPLEC方法進(jìn)行耦合求解，適當(dāng)調(diào)整松弛因子，以實(shí)現(xiàn)較好的數(shù)值穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[10]表明該方法能有效預(yù)報(bào)節(jié)能裝置的節(jié)能效果。

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)該船原型以及帶不同節(jié)能裝置進(jìn)行阻力及自航數(shù)值計(jì)算，從阻力、節(jié)能效果、船尾表面壓力分布、螺旋槳進(jìn)流4個(gè)方面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行討論。

3.1 節(jié)能裝置附體對(duì)船模阻力的影響

在完成阻力計(jì)算后，對(duì)受力情況按照船體部分和附體部分進(jìn)行分解，如表2所示。相對(duì)于原型，加裝節(jié)能裝置附體后，船體本身的阻力均有所下降。從總阻力來看，帶導(dǎo)輪和帶定子的總阻力增加均0.1%左右，而帶導(dǎo)管總阻力則下降0.4%。

表 2 阻力計(jì)算結(jié)果Tab. 2Result of resistant calculation

3.2 節(jié)能裝置附體的節(jié)能效果評(píng)估

保持航速不變，通過計(jì)算螺旋槳不同轉(zhuǎn)速下的船體、槳、舵及節(jié)能裝置附體受力，并將其插值到理論強(qiáng)制力的平衡點(diǎn)，可分析各部分的水動(dòng)力性能[10]。表3列出了各算例模型自航點(diǎn)的各部分受力情況。以收到功率PDm的變化來評(píng)估不同節(jié)能裝置相比原型的節(jié)能效果，通過比較可以看到，在相同航速下，導(dǎo)輪和定子的節(jié)能效果均達(dá)到了3%以上，而導(dǎo)管方案的節(jié)能效果僅為0.24%。

從表3可知，在螺旋槳抽吸作用下，加裝水動(dòng)力節(jié)能裝置后，船體阻力均有不同程度的增加，同時(shí)節(jié)能裝置附體也產(chǎn)生的是阻力。從總阻力來看，3個(gè)方案的增加量分別為1.52%，0.52%，1.24%，導(dǎo)輪和定子引起的總阻力增加要略高于導(dǎo)管。

帶3種節(jié)能裝置后，船后螺旋槳的效率ηs增加量依次為5.62%，1.03%，5.28%。由此可看出，導(dǎo)輪具有較好的節(jié)能效果主要是由于其具有的葉片產(chǎn)生預(yù)旋作用，使得ηs提升明顯。

表 3 船模自航計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Result of self-propulsion calculation

3.3 節(jié)能裝置附體對(duì)船尾壓力分布的影響

圖4為各方案船尾左舷和船尾右舷的壓力分布圖。從4組圖的比較來看，相對(duì)于原型，加裝節(jié)能裝置后，船尾處的壓力均下降，這表明導(dǎo)管和葉片的存在均會(huì)使船尾表面的壓力降低，從而引起總阻力增加，與3.2節(jié)中的結(jié)論一致。帶導(dǎo)輪后船尾表面壓力降低最顯著，這是導(dǎo)管和定子共同作用在船體上的結(jié)果。加裝導(dǎo)管后船體表面壓力降低的主要原因是在螺旋槳的抽吸及導(dǎo)管與船體間的擠壓使水流加速，導(dǎo)管與船體間的壓力就會(huì)降低。加裝定子后，船體上亦會(huì)出現(xiàn)較大范圍的壓力降低區(qū)域，這主要是葉片的葉背會(huì)使得流體加速，在葉片的葉背形成低壓區(qū)。

圖 4 船尾表面壓力系數(shù)分布Fig. 4Pressure distribution on hull

3.4 節(jié)能裝置附體對(duì)槳前流場(chǎng)的影響

圖5為各算例槳前切向進(jìn)流速度的周向平均值沿徑向的分布。從圖中看，加裝導(dǎo)輪及定子后，螺旋槳前方的切向進(jìn)流速度下降明顯，而只加裝導(dǎo)管時(shí)變化不明顯。這說明導(dǎo)輪具有的葉片會(huì)引起與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的流動(dòng)，而導(dǎo)管影響較弱。這與3.2節(jié)中的結(jié)論一致。

圖 5 槳前切向速度沿徑向的分布Fig. 5Tangential velocity distribution before the propeller

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成導(dǎo)輪方案的設(shè)計(jì)后，該船在中國船舶科學(xué)研究中心的深水拖曳水池完成了模型試驗(yàn)，對(duì)比了帶與不帶節(jié)能裝置附體是的船模阻力和自航性能，圖6為模型試驗(yàn)照片，船?？s尺比與數(shù)值計(jì)算相同[11]。

圖 6 船模試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 6Photographs of model test in towing tanker

表4為阻力試驗(yàn)結(jié)果，可知，帶導(dǎo)輪后阻力較原型增加0.4%，阻力相對(duì)增加量與計(jì)算結(jié)果基本吻合，但船模原型和帶導(dǎo)輪后的阻力計(jì)算值均較試驗(yàn)值小3%左右，原因在于：1）由于試驗(yàn)中采用激流絲激發(fā)湍流提前轉(zhuǎn)捩，而計(jì)算中未采用轉(zhuǎn)捩，計(jì)算中選用的SST k-w二方程模型可能無法再現(xiàn)船模的真實(shí)湍流情況；2）計(jì)算中僅采用重疊模，未考慮自由面引起的興波阻力。

表 4 阻力計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比Tab. 4Comparison of resistance between calculation and model test

船模自航試驗(yàn)采用強(qiáng)迫自航法，分別得到了自航點(diǎn)處帶與不帶節(jié)能裝置時(shí)螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩，并用ITTC標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行實(shí)船航速預(yù)報(bào)。最終結(jié)果表明，設(shè)計(jì)吃水CSR下（考慮15%的Sea Margin），該船帶節(jié)能裝置航速達(dá)到14.55 kn，相較于不帶節(jié)能裝置的原型，航速提高了0.17 kn。圖7所示為帶與不帶節(jié)能裝置時(shí)的實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比，設(shè)計(jì)航速附近，該導(dǎo)輪方案具有3%～4%的節(jié)能效果，與CFD評(píng)估結(jié)果基本一致，表明該方法可用于此類船后節(jié)能裝置附體的節(jié)能效果評(píng)估。

圖 7 帶與不帶節(jié)能裝置時(shí)的實(shí)船PD-Vs預(yù)報(bào)結(jié)果Fig. 7Power prediction with and without ESD

5 結(jié) 語

本文以一型7萬噸級(jí)油船為目標(biāo)，討論導(dǎo)輪各組成部分對(duì)其性能的影響。基于CFD方法對(duì)該船原型以及加裝不同類型節(jié)能裝置的船模進(jìn)行阻力及自航評(píng)估，并從阻力、節(jié)能效果、船尾表面壓力分布、螺旋槳進(jìn)流場(chǎng)4個(gè)方面進(jìn)行比較和分析，最后進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）在螺旋槳的抽吸作用下，帶節(jié)能裝置后船體總阻力增加，并且導(dǎo)輪和定子引起的阻力增加要略高于導(dǎo)管；

2）由于葉片對(duì)螺旋槳進(jìn)流的預(yù)旋作用，導(dǎo)輪和定子的節(jié)能效果相當(dāng)，均比單獨(dú)導(dǎo)管高約3%，這表明導(dǎo)輪具有較好的節(jié)能效果主要是由于其具有的葉片產(chǎn)生了預(yù)旋作用，使得船后螺旋槳效率提升明顯，導(dǎo)管在其中不扮演關(guān)鍵角色；

3）導(dǎo)輪的節(jié)能效果和阻力變化數(shù)值評(píng)估結(jié)果與模型試驗(yàn)基本吻合，這說明該方法可以較好地預(yù)報(bào)此類節(jié)能裝置的節(jié)能效果。