戚可成 方劍益 何永明 王琦

摘 要：隨著海上運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，其帶來的環(huán)境污染和能源的消耗也日益加劇，所以要節(jié)能減排、提高船舶營運(yùn)能效水平。通過調(diào)整船舶吃水差，改變船舶的浮態(tài)，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(yùn)水平。本文以上海海事大學(xué)的教學(xué)實習(xí)船----育明輪為研究對象，通過仿真與試驗結(jié)合，并結(jié)合項目組研發(fā)的船舶能效監(jiān)控系統(tǒng)實測出育明輪在不同吃水差下的主機(jī)每海里油耗，得出當(dāng)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(tài)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(jī)每海里油耗量最小，能效營運(yùn)水平最高。

關(guān)鍵詞：能效 吃水差 船舶阻力 主機(jī)油耗

為了提高船舶營運(yùn)能效，航運(yùn)界提出了多種節(jié)能減排的方法，例如降速航行、航線優(yōu)化、氣泡減阻、主機(jī)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析、采用LNG等新能源。但是，要采取這些節(jié)能減排的方法都要增加船舶的投資資本或者是降低營運(yùn)效率，并且這些方法對不同的船舶有不同的適應(yīng)性，因此不能進(jìn)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(jié)合項目組研發(fā)的船舶能效監(jiān)控系統(tǒng)實測出船舶在不同吃水差下主機(jī)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(jī)每海里油耗的變化趨勢，從而找出在相應(yīng)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(dāng)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(dāng)艏吃水小于艉吃水時，即吃水差為負(fù)值，船舶為艉傾（Trim by stern）；當(dāng)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(chǎn)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(chǎn)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(fēng)浪，舵葉和螺旋槳易露出水面，形成飛車，導(dǎo)致船舶的航行穩(wěn)定性變差，推進(jìn)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(qū)增加，還會使航速降低。

1.3 阻力理論計算

1.3.1質(zhì)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(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等，具體表現(xiàn)為連續(xù)性方程和N-S方程。

2.模型的建立和選擇

2.1 模型的建立

本文設(shè)定的邊界條件將在下面依次說明，在只對水下船體阻力研究時，邊界條件設(shè)定的比較簡單，在粘性模型中選擇RNG k-ε 模型，在對材料進(jìn)行定義時，需要添加液體水，對船舶在不同的航速時需要對inlet-water速度進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，例如當(dāng)船舶的航速在12 knots時，將i n le t-w ater速度設(shè)定為6.1733m/s2，如果要研究船舶處于空氣和水兩種介質(zhì)中的阻力，要使用VOF模型，并追蹤空氣、水二相流的自由液面，在靜水面劃分不同介質(zhì)的流域，即靜水面以上為空氣部分，靜水面以下為液體水部分，對船舶航行的阻力進(jìn)行計算，應(yīng)保證船舶水線面與氣液相界面保持一致。

2.2 模型的選擇

本文分析船舶阻力時選擇RNGk-ε模型和VOF 模型。要讓RANS方程組封閉，降低數(shù)值模擬計算的復(fù)雜程度，需要用 k-ε 模型來計算雷諾應(yīng)力，根據(jù)推廣的Boussinesq的eddy viscosity關(guān)系：

3.模擬結(jié)果與試驗結(jié)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(tài)，吃水差為負(fù)值時表示船舶處于艉傾狀態(tài)，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(dāng)育明輪在航行時，其艏艉處的存在壓強(qiáng)差以及艉部的回流會產(chǎn)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(tài)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(dāng)滿載速度為12knots、滿載狀態(tài)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(tài)下可以降低船舶阻力，當(dāng)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(jī)油耗

通過安裝在育明輪上的船舶能效監(jiān)控系統(tǒng)測出船舶在不同吃水差下主機(jī)每海里的油耗，為了更明顯的反應(yīng)不同吃水差下主機(jī)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(jī)燃油消耗量-平吃水主機(jī)燃油消耗量）/平吃水主機(jī)燃油消耗量×100%

當(dāng)育明輪的速度為12knots、滿載狀態(tài)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(shù)據(jù)如表2：

為了更能明顯的看出不同吃水差下的主機(jī)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(jī)每海里的油耗量比平吃水主機(jī)每海里油耗量都有所增加，能效營運(yùn)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(jī)每海里油耗量與平吃水相比有很大的增加，能效運(yùn)營水平顯著降低，在比較小的艉傾下，其運(yùn)營能效水平有所提高，尤其在吃水差為-0.2米時主機(jī)每海里的油耗量最小，能效營運(yùn)水平最高。

4.結(jié)論與展望

調(diào)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(wěn)性、強(qiáng)度等保證船舶能安全航行，然后再考慮船舶的營運(yùn)能效水平。本文以上海海事大學(xué)教學(xué)實習(xí)船——育明輪為研究對象，通過仿真與試驗結(jié)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(jìn)行了數(shù)值計算，并與船舶能效監(jiān)控系統(tǒng)在同種工況實測的油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出當(dāng)育明輪在滿載即吃水為11米、航速12節(jié)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(tài)中，吃水差為-0.2米時的兩相流中的阻力和船舶主機(jī)每海里油耗量最小，能效營運(yùn)水平最高。另外還需進(jìn)一步對其他工況進(jìn)行研究，從而能夠為實船航行提供全面的數(shù)據(jù)，使船舶在各個工況下都能在最佳吃水差下航行，實現(xiàn)節(jié)能減排。

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