穆亞娣, 陳偉民, 董國祥

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 a.航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

0 引 言

近年來，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)加快了實(shí)施綠色造船和限制船舶溫室氣體排放的步伐。2018年4月召開的IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(Marine Environment Protection Committee，MEPC)第72屆會(huì)議通過了《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，對國際航運(yùn)業(yè)應(yīng)對氣候變化的行動(dòng)做了總體安排：要求國際航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放盡快達(dá)到峰值并下降，為各類船型確定了各個(gè)階段能效提高的百分比；要求國際航運(yùn)業(yè)平均每單位運(yùn)輸活動(dòng)的CO排放量到2030年相比2008年至少下降40%，到2050年相比2008年下降70%。2020年11月召開的MEPC第75屆會(huì)議批準(zhǔn)了《國際防止船舶造成污染公約》附則VI的修正案，針對正在運(yùn)營的船舶提出了技術(shù)能效和營運(yùn)能效要求，即現(xiàn)有船舶能效指數(shù)(Energy Efficiency Existing Ship Index,EEXI)和碳強(qiáng)度指標(biāo)(Carbon Intensity Indicator,CII),并按年度營運(yùn)能效對船舶進(jìn)行了分級(jí)(A～E級(jí))。EEXI類似于新造船的能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)，目前EEXI要求的各船型設(shè)定值基本上等同于2022年對新造船提出的EEDI要求值。該規(guī)定的執(zhí)行使得世界各國紛紛加大船舶節(jié)能減排技術(shù)研究力度，從技術(shù)性和操作性能效技術(shù)等多方面出發(fā)，為新造船和正在營運(yùn)的船舶提供能效提升方案，助力船舶節(jié)能減排和能效利用水平的提升。

廣義上看，船舶節(jié)能減排的目標(biāo)是以盡可能低的燃料消耗和排放水平獲得最大的運(yùn)輸效益，在具體實(shí)踐中，一般可從提高主機(jī)效率、采用清潔燃料、安裝尾氣回收凈化裝置和優(yōu)化船舶水動(dòng)力性能等多個(gè)方面入手，實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排。船舶水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能降耗的技術(shù)手段之一，主要通過對船型和推進(jìn)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小船舶的航行阻力，提高船舶的推進(jìn)效率和機(jī)槳匹配度，實(shí)現(xiàn)船舶性能提升，達(dá)到節(jié)能減排的目的。船型優(yōu)化技術(shù)通常應(yīng)用于新船型開發(fā)階段，通過對船體的阻力性能和推進(jìn)性能進(jìn)行深度優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成性能優(yōu)良的船型方案，具有一次投入獲得長久收益的特點(diǎn)，是優(yōu)化船型水動(dòng)力性能的首選技術(shù)手段。對于運(yùn)營中的船舶，通常采用在船尾螺旋槳附近加裝水動(dòng)力節(jié)能裝置的方式，通過節(jié)能裝置的整流作用改善螺旋槳的進(jìn)流條件，回收艉流損失的能量，提高船舶的推進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝和制造安裝成本低等特點(diǎn)，節(jié)能技術(shù)相對成熟，節(jié)能效果顯著，也適于新船采用，可作為改善船舶水動(dòng)力性能的補(bǔ)充措施，在實(shí)踐中深受船舶所有人的青睞。本文主要對船舶線型優(yōu)化技術(shù)的內(nèi)涵、設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵要素，以及船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置的產(chǎn)品類型、節(jié)能原理和設(shè)計(jì)要素等進(jìn)行分析總結(jié)，通過綜合比較，探討不同節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果，為船舶水動(dòng)力節(jié)能技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)提供參考。

1 基于船舶水動(dòng)力的船型優(yōu)化技術(shù)

船舶的水動(dòng)力性能對船舶能效具有深遠(yuǎn)的影響，優(yōu)秀的船體線型設(shè)計(jì)能保證船舶在整個(gè)運(yùn)營周期內(nèi)保持相對較好的航行性能，降低能耗，減少溫室氣體排放。為此，在新船型設(shè)計(jì)開發(fā)階段，船體線型水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)是船舶設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)。目前常用的船型設(shè)計(jì)技術(shù)主要有基于專家經(jīng)驗(yàn)的船型設(shè)計(jì)技術(shù)和基于優(yōu)化平臺(tái)的船型設(shè)計(jì)技術(shù)2種。這2種技術(shù)均需借助船舶計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)，其中：基于專家經(jīng)驗(yàn)的船型設(shè)計(jì)技術(shù)側(cè)重于通過對船舶流場的分布進(jìn)行定性判斷，結(jié)合船舶阻力和自航因子計(jì)算結(jié)果對船舶進(jìn)行改型設(shè)計(jì)；基于優(yōu)化平臺(tái)的船型設(shè)計(jì)技術(shù)主要通過專用軟件搭建船體變形、CFD評(píng)估和迭代設(shè)計(jì)自動(dòng)化流程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)空間尋優(yōu)和深度設(shè)計(jì)優(yōu)化。這2種技術(shù)各有特點(diǎn)，在實(shí)踐中需根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)、可用的計(jì)算資源和專家經(jīng)驗(yàn)等選擇合適的方法。

1.1 基于專家經(jīng)驗(yàn)的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

基于專家經(jīng)驗(yàn)的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)主要是基于母型船和系列船型資料，結(jié)合船舶設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，對初始船型方案進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，并針對初始船型方案開展船舶航行性能CFD數(shù)值計(jì)算分析，提取船行波、船體表面壓力梯度和艉部流場分布等關(guān)鍵區(qū)域的流場信息，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)對艏艉區(qū)域的線型進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)迭代改進(jìn)，逐步改善船體周圍流場的品質(zhì)和船型性能，最終形成滿足設(shè)計(jì)要求的船型方案，技術(shù)流程見圖1。這種船型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)已有幾十年的發(fā)展歷史，在主流船型選型優(yōu)化設(shè)計(jì)中取得了良好的效果，對船舶航行性能的持續(xù)改進(jìn)起到了重要的推動(dòng)作用。在船型設(shè)計(jì)的不同階段，比如設(shè)計(jì)初期的快速選型階段，設(shè)計(jì)中期的船舶阻力優(yōu)化、推進(jìn)性能優(yōu)化、載況優(yōu)化和船型綜合航行性能(包括快速性、耐波性和操縱性等)優(yōu)化等階段均具有良好的應(yīng)用效果，目前仍是船型設(shè)計(jì)開發(fā)中采用的主要設(shè)計(jì)方法之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用該方法進(jìn)行船體線型和螺旋槳設(shè)計(jì)，可使船舶的推進(jìn)效率提高6%～8%。

圖1 基于專家經(jīng)驗(yàn)的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)流程圖

該方法的優(yōu)點(diǎn)是能借助專家經(jīng)驗(yàn)快速框定船型方案的選擇范圍，能針對設(shè)計(jì)問題快速做出反應(yīng)，可結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和船舶CFD技術(shù)對船型性能進(jìn)行深度優(yōu)化，對船舶航行性能的改善效果較好；缺點(diǎn)是優(yōu)化設(shè)計(jì)依賴于船體母型數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)的積累，在船型深度優(yōu)化中需進(jìn)行船體改型、CFD計(jì)算評(píng)估和結(jié)果分析評(píng)價(jià)等多輪次迭代，設(shè)計(jì)周期相對較長。

1.2 基于優(yōu)化平臺(tái)的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著船體參數(shù)化建模技術(shù)和船舶CFD技術(shù)的不斷發(fā)展，近些年出現(xiàn)了基于船型優(yōu)化平臺(tái)進(jìn)行船型優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)路徑選項(xiàng)。簡而言之，就是通過整合船舶自動(dòng)幾何重構(gòu)、CFD數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化算法等技術(shù)，獲取基于軟件平臺(tái)的船型自動(dòng)優(yōu)化技術(shù)。常見的船體幾何變形功能是通過參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)船體幾何自動(dòng)重構(gòu)，而參數(shù)化建模方法分為半?yún)?shù)化方法和全參數(shù)化方法2種，可分別實(shí)現(xiàn)船體的局部變形和全局整體變形。船舶CFD計(jì)算作為底層支撐，用于實(shí)現(xiàn)對新船型性能的數(shù)值評(píng)估，獲得船型性能量化指標(biāo)。常用的優(yōu)化算法有隨機(jī)搜索算法、遺傳算法和模擬退火法等，用優(yōu)化算法替代人工經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)每一步的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行下一步的改型參數(shù)確認(rèn)，經(jīng)過大量的計(jì)算方案迭代設(shè)計(jì)，從眾多方案中找出最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)對船舶性能的優(yōu)化改進(jìn)。圖2為基于優(yōu)化平臺(tái)的船型優(yōu)化技術(shù)流程圖。

圖2 基于優(yōu)化平臺(tái)的船型優(yōu)化技術(shù)流程圖

相比傳統(tǒng)的船型設(shè)計(jì)方法，該方法的突出特點(diǎn)是將基于目標(biāo)的最優(yōu)技術(shù)引入船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，即通過數(shù)學(xué)方法研究船型優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，與船體自動(dòng)重構(gòu)和CFD技術(shù)相結(jié)合，使得船型知識(shí)化設(shè)計(jì)模式成為一種可能。傳統(tǒng)的船型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要依賴專家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合船型CFD分析和模型試驗(yàn)結(jié)果對船體線型、螺旋槳進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能面向整個(gè)船型設(shè)計(jì)空間進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)，有利于對船型性能進(jìn)行深度優(yōu)化；同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程以性能為目標(biāo)，通過優(yōu)化算法驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，能在一定程度上解決船型設(shè)計(jì)高度依賴專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備的問題。該方法的缺點(diǎn)是在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中會(huì)生成大量船型樣本點(diǎn)，CFD數(shù)值計(jì)算需要大量的計(jì)算機(jī)硬件資源做支撐；同時(shí)，優(yōu)化算法的選擇、參數(shù)的選取和船型幾何變型參數(shù)的設(shè)置等也需要設(shè)計(jì)人員具有大量的經(jīng)驗(yàn)積累，只有如此才能達(dá)到較好的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)船型深度優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使船型性能提升2%～5%。

2 基于船舶水動(dòng)力的節(jié)能附體節(jié)能技術(shù)

船型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)能有效提升船舶的水動(dòng)力性能，實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能降耗，但這種技術(shù)主要適用于新船建造階段。對于營運(yùn)中的船舶而言，船體外形已相對固定，其能效設(shè)計(jì)改造可采用在船體表面靠近螺旋槳的部位加裝水動(dòng)力節(jié)能裝置的方式實(shí)現(xiàn)，通過節(jié)能裝置的整流作用改善螺旋槳的進(jìn)流條件，回收損失的螺旋槳艉流能量，達(dá)到節(jié)能增效的目的。由于節(jié)能裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低和節(jié)能效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，既適用于新船安裝，又適用于舊船改造，在工程應(yīng)用中備受船舶所有人的青睞。

2.1 常見的水動(dòng)力節(jié)能裝置分類

船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置有很多種，可根據(jù)安裝位置的不同分為槳前節(jié)能裝置和槳后節(jié)能裝置。

1) 槳前節(jié)能裝置一般安裝在螺旋槳前部，以改善螺旋槳進(jìn)流質(zhì)量，提高槳盤面伴流場的均勻度，產(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)旋流，提高螺旋槳的推進(jìn)效率。此類裝置包括前置整流導(dǎo)管、前置預(yù)旋導(dǎo)輪、槳前整流鰭和節(jié)能軸支架等，其中前置整流導(dǎo)管和前置預(yù)旋導(dǎo)輪的節(jié)能效果最突出，二者為常用的槳前節(jié)能裝置。

2) 槳后節(jié)能裝置一般安裝在螺旋槳后部，可實(shí)現(xiàn)對艉部壓力場的調(diào)節(jié)，回收艉流周向旋轉(zhuǎn)能量，衰減或分割各類漩渦，起到減小漩渦阻力和提供附加推力的作用，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)效率提升和節(jié)能增效。此類節(jié)能裝置包括舵球、轂帽鰭、舵附推力鰭和扭曲舵等。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可根據(jù)不同船型選擇不同的節(jié)能裝置，根據(jù)不同節(jié)能裝置的特點(diǎn)進(jìn)行適配設(shè)計(jì)；同時(shí)，可對2種或2種以上的節(jié)能裝置進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，安裝于槳前和槳后的不同位置處，獲得更好的節(jié)能效果。

2.2 槳前節(jié)能裝置

2.2.1 前置整流導(dǎo)管

前置整流導(dǎo)管是一種常用的槳前節(jié)能裝置，一般安裝于船尾中縱剖面兩側(cè)，偏置于螺旋槳軸上方，由2個(gè)“C”型半圓環(huán)形導(dǎo)流管構(gòu)成，半圓環(huán)采用機(jī)翼剖面設(shè)計(jì)成前大后小的喇叭口形狀，導(dǎo)管中軸線與船體基線具有一定的后傾角度，以獲得優(yōu)良的整流效果。前置整流導(dǎo)管能提高船舶的推進(jìn)效率，減小螺旋槳激振力，改善螺旋槳空泡問題，尤其適用于散貨船和油船等肥大型船的設(shè)計(jì)和改造中。由于肥大型船的艉部線型變化劇烈，艉部易出現(xiàn)水流分離現(xiàn)象，常產(chǎn)生較強(qiáng)的舭部旋渦，導(dǎo)致槳盤面處易出現(xiàn)“鉤”狀伴流特征。螺旋槳在這種伴流場中工作，不僅會(huì)導(dǎo)致其推進(jìn)效率下降，而且可能誘發(fā)空泡現(xiàn)象，引起船尾產(chǎn)生劇烈振動(dòng)等。圖3為前置整流導(dǎo)管幾何外形和整流效果示意圖。加裝前置整流導(dǎo)管能有效改善螺旋槳盤面的伴流分布，改善螺旋槳進(jìn)流條件，提高螺旋槳的推進(jìn)效率，其工作原理如下：

(a) 幾何外形

(b) 整流效果圖3 前置整流導(dǎo)管幾何外形和整流效果示意圖

1) 由于導(dǎo)管采用了前大后小的喇叭口設(shè)計(jì)，水流經(jīng)過導(dǎo)管之后，其速度在導(dǎo)管后方出口區(qū)域得到增加，降低了船體舭渦的影響，使得水流變得更加均勻，可改善螺旋槳的來流質(zhì)量，提高其推進(jìn)效率；

2) 減少艉部水流分離，使紊亂的水流變得相對平穩(wěn)，更加有序地流向螺旋槳，減小螺旋槳和船體的激振力，提升船舶的舒適度；

3) 采用左右不對稱的半圓環(huán)組合，可調(diào)整螺旋槳進(jìn)流的預(yù)旋程度，獲得與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的水流，減少艉流的旋轉(zhuǎn)能量損失，提高螺旋槳的推進(jìn)效率；

4) 半圓環(huán)采用機(jī)翼剖面設(shè)計(jì)，采用合適的安裝角度，可產(chǎn)生船舶附加推力，減小船舶的航行阻力。

前置整流導(dǎo)管具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便和節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該型節(jié)能裝置在近30 a內(nèi)已在上千艘單槳船上得到應(yīng)用。根據(jù)海上試航和實(shí)際使用情況，綜合運(yùn)載情況、航速和海況等因素，發(fā)現(xiàn)該裝置的節(jié)能效果可達(dá)3%～6%。

2.2.2 前置預(yù)旋導(dǎo)輪

前置預(yù)旋導(dǎo)輪由1個(gè)圓形或半圓形導(dǎo)管和多個(gè)內(nèi)導(dǎo)葉片構(gòu)成，安裝于螺旋槳前方、螺旋槳軸上方，導(dǎo)葉兩端分別與導(dǎo)管的內(nèi)壁和艉部船體表面相連，導(dǎo)葉外周為圓型導(dǎo)管。導(dǎo)管和導(dǎo)葉一般都采用機(jī)翼剖面設(shè)計(jì)，導(dǎo)管的外形一般為前大后小的喇叭口，導(dǎo)葉采用多片式設(shè)計(jì)，沿周向具有不同的安裝角度。針對不同的船型，需對其導(dǎo)管直徑、導(dǎo)葉周向分布角度和葉片攻角進(jìn)行適配設(shè)計(jì)，以改善螺旋槳上半平面入流的均勻性，產(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)旋流，減少螺旋槳艉流旋轉(zhuǎn)能量損失，提高螺旋槳的推進(jìn)效率。若葉片角度設(shè)計(jì)合理，還可產(chǎn)生附加推力，實(shí)現(xiàn)可觀的節(jié)能效果。圖4為前置預(yù)旋導(dǎo)輪幾何外形和整流效果示意圖。

(a) 幾何外形

(b) 整流效果圖4 前置預(yù)旋導(dǎo)輪幾何外形和整流效果示意圖

前置預(yù)旋導(dǎo)輪具有安裝拆卸便捷、牢固可靠和便于檢修等優(yōu)點(diǎn)，無論是對于正在運(yùn)營的船舶而言，還是對于新造船舶而言，都能很方便地安裝。根據(jù)模型試驗(yàn)和實(shí)船應(yīng)用情況，綜合運(yùn)載情況、航速和海況等因素，發(fā)現(xiàn)該裝置的節(jié)能效果可達(dá)3%～8%。

2.3 槳后節(jié)能裝置

2.3.1 舵球

舵球是一種安裝于槳后舵葉表面的節(jié)能裝置，具有流線型的回轉(zhuǎn)體特征，頭部緊挨著螺旋槳槳轂，其中心線與螺旋槳軸線重合。舵球的存在可消除螺旋槳槳轂后方的轂渦，減少槳轂后方紊亂的水流，減少漩渦能量的流失,提高螺旋槳的推進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能增效。圖5為舵球幾何外形和整流效果示意圖。舵球的節(jié)能原理如下：

a) 幾何外形

b) 整流效果圖5 舵球幾何外形和整流效果示意圖

1) 受螺旋槳旋轉(zhuǎn)作用的影響，槳后水流會(huì)產(chǎn)生切向誘導(dǎo)速度，螺旋槳槳轂處會(huì)產(chǎn)生轂渦，引起艉流旋轉(zhuǎn)能量損失，安裝舵球可有效削減槳后低壓水流區(qū)，強(qiáng)迫槳轂后方水流沿舵球表面流動(dòng)，在黏性作用下遏制槳轂后方旋轉(zhuǎn)水流和漩渦的產(chǎn)生，達(dá)到整流的目的；

2) 舵球的存在可將槳后水流向外半徑排擠，增大水流的截面積，減小螺旋槳艉流收縮，從而提高螺旋槳的推進(jìn)效率；

3) 舵球可改善槳后水流流場的分布,減輕艉流對舵和船尾的激振作用，提高船舶的舒適度。

目前該裝置已在多艘船上得到應(yīng)用，經(jīng)反饋其節(jié)能效果可達(dá)1%～3%，由于具有結(jié)構(gòu)簡單、加工和安裝方便、成本低和節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)，適于與槳前節(jié)能裝置配合使用，得到了船舶所有人的廣泛認(rèn)可。

2.3.2 舵附推力鰭

舵附推力鰭是一種安裝于槳后舵葉兩側(cè)的水動(dòng)力節(jié)能裝置，鰭片與水流方向呈現(xiàn)一定的攻角。螺旋槳誘導(dǎo)艉流場中存在較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，水流在經(jīng)過鰭片所在區(qū)域時(shí)，因與鰭片發(fā)生相互作用而改變流動(dòng)方向，使艉流中的旋轉(zhuǎn)能量得到有效吸收，鰭片產(chǎn)生附加推力，從而提高船舶的推進(jìn)效率。試驗(yàn)和應(yīng)用研究結(jié)果顯示，若設(shè)計(jì)的方案合理，舵附推力鰭的節(jié)能效果可達(dá)1%～4%。影響舵附推力鰭節(jié)能效果的主要因素如下：

1) 舵附推力鰭的安裝角。該角度是指舵附推力鰭與槳軸線的夾角，舵附推力鰭與水流相互作用，會(huì)因水的黏性和誘導(dǎo)速度而產(chǎn)生阻力和升力，鰭片所受總阻力與升力沿軸向的合力即為助推力，是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)效率提升的關(guān)鍵因素。在有效攻角范圍內(nèi)，助推力會(huì)隨著攻角的變化而發(fā)生變化，存在一個(gè)最佳角度范圍，使舵附推力鰭的助推力達(dá)到最大。研究表明，舵附推力鰭在安裝角為5°左右時(shí)的節(jié)能效果最好。

2) 舵附推力鰭的長度。舵附推力鰭的助推力大小與其長度有關(guān)。當(dāng)舵附推力鰭的其他參數(shù)不變時(shí)，其展長越長，鰭片的升力和所受阻力越大。但是，由于螺旋槳艉流場中的流速相對較高，當(dāng)鰭片完全處于艉流場之內(nèi)時(shí)，隨著鰭片展長的增加，舵附推力鰭的助推力會(huì)增大，助推效率會(huì)提高；當(dāng)鰭片超出艉流場時(shí)，舵附推力鰭的助推力會(huì)隨著鰭片展長的進(jìn)一步增加而明顯減小。為此，在設(shè)計(jì)舵附推力鰭時(shí)需合理選擇鰭片展長。

3) 推力器安裝位置：舵附推力鰭的垂向和軸向安裝位置一般略高于螺旋槳軸中心線，位于螺旋槳艉渦過渡區(qū)內(nèi)，此時(shí)其助推效果最理想。

2.3.3 轂帽鰭

轂帽鰭是一種安裝在螺旋槳后方，隨螺旋槳旋轉(zhuǎn)的水動(dòng)力節(jié)能裝置，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在螺旋槳轂帽上設(shè)計(jì)安裝有小葉片，葉片的數(shù)量與螺旋槳槳葉的數(shù)量相同，均布在轂帽表面，與螺旋槳同步旋轉(zhuǎn)，用以擴(kuò)散轂渦，葉片半徑約為槳葉半徑的1/4。轂帽鰭能回收螺旋槳葉根處損失的艉流旋轉(zhuǎn)能量，利用轂帽鰭葉片形成整流作用，分割和衰減槳轂轂渦，消除螺旋槳轂帽后端的低壓區(qū)，恢復(fù)槳轂和轂帽的壓力，減少旋渦能量損失，利用轂帽鰭葉片產(chǎn)生與螺旋槳葉片方向相反的反扭矩，減小螺旋槳的整體扭矩，提高其推進(jìn)效率。圖6為轂帽鰭幾何外形和整流效果示意圖。

a) 幾何外形

b) 整流效果圖6 轂帽鰭幾何外形和整流效果示意圖

轂帽鰭相比其他節(jié)能附體具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，可隨螺旋槳槳帽一同拆卸，施工安裝比較方便，對于轂渦較重的船舶而言節(jié)能效果尤為明顯，可降低螺旋槳噪聲，已在很多實(shí)船上得到應(yīng)用。實(shí)船應(yīng)用結(jié)果顯示，轂帽鰭的節(jié)能效果平均可達(dá)2%～3%。

2.4 組合式水動(dòng)力節(jié)能裝置

由于不同節(jié)能裝置的安裝位置不同，起到的整流作用和水動(dòng)力特性也不盡相同。不同節(jié)能裝置扮演著不同的節(jié)能角色，在實(shí)際設(shè)計(jì)節(jié)能方案時(shí)，常通過對多種節(jié)能裝置進(jìn)行搭配設(shè)計(jì)，形成組合式水動(dòng)力節(jié)能裝置，兼顧槳前整流、槳后消渦和艉流能量回收等作用，提高節(jié)能裝置的綜合節(jié)能效果。常見的節(jié)能裝置組合方案及其節(jié)能效果見表1。

表1 常見的節(jié)能裝置組合方案及其節(jié)能效果 %

3 結(jié) 語

本文回顧了基于船舶水動(dòng)力性能的船舶節(jié)能技術(shù)研究，從船型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和船舶附加水動(dòng)力節(jié)能裝置2個(gè)方面分析了船舶水動(dòng)力節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況、特點(diǎn)和應(yīng)用效果。船型優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)適用于新造船舶，是船型設(shè)計(jì)開發(fā)階段保證船型具有優(yōu)良性能的首選技術(shù)手段。本文深入分析了2種常見的船型優(yōu)化方法，闡述了其技術(shù)原理、適用條件和設(shè)計(jì)流程，分析了其應(yīng)用效果。船舶水動(dòng)力附體節(jié)能技術(shù)適用于新船設(shè)計(jì)安裝和舊船改造，是改善船舶水動(dòng)力性能的補(bǔ)充措施。本文從節(jié)能原理和應(yīng)用效果2個(gè)方面對節(jié)能附體進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括槳前節(jié)能裝置(包括前置整流導(dǎo)管和前置預(yù)旋導(dǎo)輪)和槳后節(jié)能裝置(包括轂帽鰭、舵球和舵附推力鰭等)，分析了不同節(jié)能裝置的節(jié)能原理和預(yù)期節(jié)能效果。在進(jìn)行新船設(shè)計(jì)和舊船改造時(shí)，可根據(jù)船舶的用途、航線和船型特征等選取合適的船舶節(jié)能技術(shù)。本文的研究成果可供船舶設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)管等人員參考。