張利軍，陳 鴿

（中遠船務工程集團有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116600）

0 引言

隨著全球能源危機的日益加重和溫室效應導致的氣候變暖現(xiàn)象的不斷加劇，如何能夠節(jié)約能源，減少二氧化碳的排放成為擺在全人類面前的重要問題之一。對于船舶行業(yè)來說，為了削減和抑制船舶溫室效果氣體（GHG）的排放量，國際海事組織（IMO）在第62次海洋環(huán)境保護委員會（MEPC 62）上，制定了船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）標準并將在全球范圍內(nèi)強制實行。雖然國際海事組織（IMO）海洋環(huán)境保護委員會做出同意包括中國在內(nèi)的締約國推遲4年執(zhí)行EEDI的決定，但是船東們勢必在現(xiàn)階段就選擇滿足這一標準要求的新船，從而避免未來支付各種排放費用。由于EEDI是分階段實行的，要求在2013～2025年分3個時間段執(zhí)行，每個時間段減排10%，共降低排放量30%，這使得一艘船的能效設(shè)計指數(shù)和使用壽命變得息息相關(guān)。

新推出的船舶產(chǎn)品如果沒有新的賣點，就不會引起船東很大的興趣。企業(yè)只有不斷推出性能優(yōu)越的船型，才能得到船東的青睞。在單船二氧化碳減排方面可以有以下幾種措施[1]：

1）技術(shù)性減排措施：船體線型優(yōu)化、氣膜減阻、推進裝置及螺旋槳優(yōu)化、發(fā)動機效率的提高、使用岸電、廢熱回收、使用新能源和替代燃料等，這些技術(shù)性措施從根本上減少船舶溫室氣體的排放，是實現(xiàn)溫室氣體減排的主要手段。技術(shù)性減排措施是完善EEDI評估公式的主要依據(jù)。

2）營運性減排措施：船隊減速、優(yōu)化輔機供電體系、氣象導航、JIT物流管理、提高裝卸效率、船體維護保養(yǎng)等，營運性措施是在現(xiàn)有硬件條件基礎(chǔ)上，通過更高效的管理和運作來提高營運效率，實現(xiàn)溫室氣體的減排。

相比較而言，航程優(yōu)化、主機監(jiān)控、高效推進裝置、氣膜減租、氣體燃料和廢熱回收幾種減排措施的成本較高。

在節(jié)能減排方面，日本和韓國都做了很多深入的研究工作。日本的一款安裝在駕駛室側(cè)翼以及支撐柱上的附加裝置[2]，不僅簡單實用，易于安裝和檢修，而且起到有效的減少風阻的作用。文章亦針對這種結(jié)構(gòu)的附加裝置進行了初步研究。

1 生活區(qū)風阻研究

1.1 計算的前處理

本文以某散貨船生活區(qū)為基礎(chǔ)，通過建立四種不同的生活區(qū)上部結(jié)構(gòu)（駕駛甲板及操作甲板部分）的數(shù)值模型（圖1），采用計算流體力學方法，數(shù)值模擬生活區(qū)的受力和周圍的流場狀況并得到相應的數(shù)值分析結(jié)果。其中，模型A為駕駛甲板及操作甲板部分的原始模型；模型B在模型A的基礎(chǔ)上，將模型A的駕駛甲板、操作甲板及后部煙囪的前表面改為一個弧面（長寬比為0.1）；模型C（圖2）是在模型A的基礎(chǔ)上，將模型A的各個折角處改為半徑R=0.3 m的圓弧面；模型D是在模型A的基礎(chǔ)上，將模型A的各個折角處改為半徑R=0.5 m的圓弧面。同時，為了比較不同相對風速下的風阻情況，設(shè)定了六種垂直于模型前表面的來風速度（5 m/s, 10 m/s，15 m/s, 20 m/s, 25 m/s, 30 m/s）。

由于4個模型均為中心軸對稱結(jié)構(gòu)，出于節(jié)省計算時間，降低計算成本的考慮，取模型的一半模擬流場。同時，為了減少計算域邊界對流場的影響，取模型的5倍尺寸建立計算域。數(shù)值模擬需要的網(wǎng)格采用商用軟件生成。為了精確的捕捉到四個模型的不同之處，模型本體及模型在計算域各表面的投影網(wǎng)格間距為20個單位長度（cm），其他的線及面采用以模型本體為中心向外發(fā)散，網(wǎng)格間距逐漸擴大的方法生成。同時為了能夠準確的比較4個模型的計算數(shù)據(jù)，減小因為網(wǎng)格數(shù)量和構(gòu)成類型不同造成的計算誤差，四個模型均采用六面體與四面體混合構(gòu)造法，網(wǎng)格數(shù)目都在65萬左右。

圖1 模型及計算域

圖2 模型C示意圖

數(shù)值計算采用商用軟件來進行。由于流場內(nèi)模型構(gòu)成比較復雜，所以對流項插值選擇二階迎風格式，壓力選擇standard插值。出于收斂性和降低偽擴散的考慮，擴散項梯度插值應用Green-Gauss node based方法，選擇SIMPLE求解器，在得到相對穩(wěn)定的流場后使用耦合求解器求解。為了精確的比較各個模型在空氣動力學上的不同，同時為了兼顧計算收斂解需要的時間成本和解的穩(wěn)定性，湍流模型使用可實現(xiàn)的k-ε模型來計算。數(shù)值收斂解的判斷采用動量方程式殘差0.0001，速度殘差0.000001量級為判斷基準，物理收斂解的判斷以阻力系數(shù)的殘差值為基準，判斷量級為0.001。

邊界條件設(shè)定如下所示：

進口邊界條件：速度進口（VELOCITY_INLET）；

出口邊界條件：自由出流（OUTFLOW）；

固壁邊界條件：無滑固壁（WALL）。

考慮到船舶在大海里的航行情況，此次研究忽略重力影響并且不考慮溫度交換（恒溫288.16K）。

1.2 結(jié)果分析

圖3為相對風速為15 m/s時，模型B表面的速度矢量云圖。由圖可見，入流空氣在接觸到模型前表面后，形成一個低速高壓區(qū)，并沿模型前表面加速向上對模型形成繞流效果。由于模型前表面的阻擋，在模型上表面也會出現(xiàn)一個由于負壓力差產(chǎn)生的漩渦區(qū)。鑒于模型結(jié)構(gòu)相對復雜，雷諾數(shù)相對較大，所以類似的漩渦在模型表面還有很多處。這些漩渦會減小模型表面層流區(qū)的長度，加速湍流化的過程，導致摩擦阻力的增加。由于空氣粘度很小，同時漩渦的存在也會造成模型表面摩擦阻力的多向性，因此與壓差阻力相比模型受到的摩擦阻力十分微小，可以忽略不計，具體阻力數(shù)值如表1所示。

圖3 模型B表面速度矢量示意圖

表1 模型D受力分析結(jié)果

表2 與模型A相比各模型的阻力減小

從表2可以看出，通過優(yōu)化上層建筑的外形，可以起到降低風阻的作用，隨著相對風速的提高，風阻優(yōu)化的效果更加明顯。

空氣阻力的計算公式表示為：

在相對速度和空氣密度一定的條件下，模型受到的風阻是由模型的迎風面積S和模型的空氣阻力系數(shù)Cd決定的。由于模型D是將原始模型A的各個折角處改為半徑R=0.5 m的圓弧面，既減少了迎風面積又使得模型的外形更接近于流線型，降低了空氣阻力系數(shù)，因此，收到了相對好的優(yōu)化效果。

2 減阻裝置研究

2.1 裝置介紹

選取安放在船舶生活區(qū)駕駛室側(cè)翼及支撐柱上的附加裝置，可以使入射氣流形成若干個斜面角，從而起到降低風阻的作用。圖4中的長方體是駕駛室側(cè)翼的一部分，尺寸參考了某散裝船的駕駛室側(cè)翼的實際尺寸。前部的弧面為降低風阻 的附加裝置，具體的尺寸如圖4所示。

圖4 模型B示意圖

2.2 計算的前處理

文中建立了三種數(shù)值模型。模型A為未安裝降低風阻附加裝置的駕駛室側(cè)翼的原始模型；模型B是圖4表示的數(shù)值模型；出于實際生產(chǎn)安裝工藝的考慮，模型C是在圖4的數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，將附加裝置從中間切開，留下0.4 m的空隙，將原附加裝置分成兩個獨立部分安裝在駕駛室側(cè)翼上。

數(shù)值模擬需要的網(wǎng)格采用商用軟件來生成。為了精確的捕捉到3個模型的不同之處，模型本體及模型在計算域各表面的投影網(wǎng)格間距為10個單位長度（cm），其他的線及面采用以模型本體為中心向外發(fā)散，網(wǎng)格間距逐漸擴大的方法生成。同時為了能夠準確的比較3個模型的計算數(shù)據(jù)，減小因為網(wǎng)格數(shù)量和構(gòu)成類型不同造成的計算誤差，3個模型均采用六面體與四面體混合構(gòu)造法，網(wǎng)格數(shù)目都在70萬左右。

數(shù)值計算采用商用軟件來進行。除了由于流場內(nèi)計算實體只有一個，相對簡單，所以除湍流模型采用標準k-ε模型外，其他的設(shè)定以及邊界條件的選擇與前面的生活區(qū)風阻計算保持一致。

2.3 結(jié)果分析

圖5、圖6、圖7為各個模型在相對速度5m/s條件下的前表面壓力云圖，顏色越接近紅色表示壓強越大。對比這三張壓力云圖可以看出，在安裝了降低風阻的附加裝置后，模型前表面的高壓區(qū)明顯減小。從圖8可以看出這是由于氣流在遇到附加裝置的圓弧形前表面后，加速向上（向下），繞過了后部的駕駛室側(cè)翼部分所產(chǎn)生的。

圖5 模型A前表面等壓圖

圖6 模型B前表面等壓圖

圖7 模型C前表面等壓圖

圖8 模型B表面速度矢量圖

從圖9的柱狀圖中可以發(fā)現(xiàn)，模型B、C都可以達到減阻30%以上的優(yōu)化效果，并且隨著相對速度的提高，優(yōu)化效果也更加明顯。但總的來說，模型C與B相比優(yōu)化效果差異不大。

圖9 模型B、C與模型A相比的阻力減少

從圖9的柱狀圖中可以發(fā)現(xiàn)，模型B、C都可以達到減阻30%以上的優(yōu)化效果，并且隨著相對速度的提高，優(yōu)化效果也更加明顯。但總的來說，模型C與B相比優(yōu)化效果差異不大。

3 結(jié)論

本文應用CFD方法，通過對生活區(qū)不同外形方案進行數(shù)值模擬和對計算結(jié)果的比較分析，得出如下結(jié)論：

1）對生活區(qū)的外形進行優(yōu)化設(shè)計可以起到有效的減少風阻的作用。由于考慮到生活區(qū)實際的布置要求，文中只是針對生活區(qū)進行了較小的外形優(yōu)化。在外形整體結(jié)構(gòu)上有較大的優(yōu)化空間的情況下，還可以進一步采取復合階梯式優(yōu)化，切角優(yōu)化等措施以達到更好的減阻效果。

2）降低風阻的附加裝置雖然存在只能加裝在駕駛室側(cè)翼及支柱上這一局限性，但是附加裝置的運用對于降低風阻起到十分明顯的效果。通過安裝附加裝置以達到減阻目的的流場整合方法具有進一步開發(fā)和拓展的空間。

[1]馬場弘明.船舶の省エネルギー対策[R]//広島商船高等専門學校紀要第31號, 2009.

[2]日本郵船.居住區(qū)の風圧抵抗を10%低減[N/OL].http://www.nyk.com/release/1413/NE_110704.html