张利军，陈 鸽

（中远船务工程集团有限公司技术中心，辽宁大连 116600）

0 引言

随着全球能源危机的日益加重和温室效应导致的气候变暖现象的不断加剧，如何能够节约能源，减少二氧化碳的排放成为摆在全人类面前的重要问题之一。对于船舶行业来说，为了削减和抑制船舶温室效果气体（GHG）的排放量，国际海事组织（IMO）在第62次海洋环境保护委员会（MEPC 62）上，制定了船舶能效设计指数（EEDI）标准并将在全球范围内强制实行。虽然国际海事组织（IMO）海洋环境保护委员会做出同意包括中国在内的缔约国推迟4年执行EEDI的决定，但是船东们势必在现阶段就选择满足这一标准要求的新船，从而避免未来支付各种排放费用。由于EEDI是分阶段实行的，要求在2013～2025年分3个时间段执行，每个时间段减排10%，共降低排放量30%，这使得一艘船的能效设计指数和使用寿命变得息息相关。

新推出的船舶产品如果没有新的卖点，就不会引起船东很大的兴趣。企业只有不断推出性能优越的船型，才能得到船东的青睐。在单船二氧化碳减排方面可以有以下几种措施[1]：

1）技术性减排措施：船体线型优化、气膜减阻、推进装置及螺旋桨优化、发动机效率的提高、使用岸电、废热回收、使用新能源和替代燃料等，这些技术性措施从根本上减少船舶温室气体的排放，是实现温室气体减排的主要手段。技术性减排措施是完善EEDI评估公式的主要依据。

2）营运性减排措施：船队减速、优化辅机供电体系、气象导航、JIT物流管理、提高装卸效率、船体维护保养等，营运性措施是在现有硬件条件基础上，通过更高效的管理和运作来提高营运效率，实现温室气体的减排。

相比较而言，航程优化、主机监控、高效推进装置、气膜减租、气体燃料和废热回收几种减排措施的成本较高。

在节能减排方面，日本和韩国都做了很多深入的研究工作。日本的一款安装在驾驶室侧翼以及支撑柱上的附加装置[2]，不仅简单实用，易于安装和检修，而且起到有效的减少风阻的作用。文章亦针对这种结构的附加装置进行了初步研究。

1 生活区风阻研究

1.1 计算的前处理

本文以某散货船生活区为基础，通过建立四种不同的生活区上部结构（驾驶甲板及操作甲板部分）的数值模型（图1），采用计算流体力学方法，数值模拟生活区的受力和周围的流场状况并得到相应的数值分析结果。其中，模型A为驾驶甲板及操作甲板部分的原始模型；模型B在模型A的基础上，将模型A的驾驶甲板、操作甲板及后部烟囱的前表面改为一个弧面（长宽比为0.1）；模型C（图2）是在模型A的基础上，将模型A的各个折角处改为半径R=0.3 m的圆弧面；模型D是在模型A的基础上，将模型A的各个折角处改为半径R=0.5 m的圆弧面。同时，为了比较不同相对风速下的风阻情况，设定了六种垂直于模型前表面的来风速度（5 m/s, 10 m/s，15 m/s, 20 m/s, 25 m/s, 30 m/s）。

由于4个模型均为中心轴对称结构，出于节省计算时间，降低计算成本的考虑，取模型的一半模拟流场。同时，为了减少计算域边界对流场的影响，取模型的5倍尺寸建立计算域。数值模拟需要的网格采用商用软件生成。为了精确的捕捉到四个模型的不同之处，模型本体及模型在计算域各表面的投影网格间距为20个单位长度（cm），其他的线及面采用以模型本体为中心向外发散，网格间距逐渐扩大的方法生成。同时为了能够准确的比较4个模型的计算数据，减小因为网格数量和构成类型不同造成的计算误差，四个模型均采用六面体与四面体混合构造法，网格数目都在65万左右。

图1 模型及计算域

图2 模型C示意图

数值计算采用商用软件来进行。由于流场内模型构成比较复杂，所以对流项插值选择二阶迎风格式，压力选择standard插值。出于收敛性和降低伪扩散的考虑，扩散项梯度插值应用Green-Gauss node based方法，选择SIMPLE求解器，在得到相对稳定的流场后使用耦合求解器求解。为了精确的比较各个模型在空气动力学上的不同，同时为了兼顾计算收敛解需要的时间成本和解的稳定性，湍流模型使用可实现的k-ε模型来计算。数值收敛解的判断采用动量方程式残差0.0001，速度残差0.000001量级为判断基准，物理收敛解的判断以阻力系数的残差值为基准，判断量级为0.001。

边界条件设定如下所示：

进口边界条件：速度进口（VELOCITY_INLET）；

出口边界条件：自由出流（OUTFLOW）；

固壁边界条件：无滑固壁（WALL）。

考虑到船舶在大海里的航行情况，此次研究忽略重力影响并且不考虑温度交换（恒温288.16K）。

1.2 结果分析

图3为相对风速为15 m/s时，模型B表面的速度矢量云图。由图可见，入流空气在接触到模型前表面后，形成一个低速高压区，并沿模型前表面加速向上对模型形成绕流效果。由于模型前表面的阻挡，在模型上表面也会出现一个由于负压力差产生的漩涡区。鉴于模型结构相对复杂，雷诺数相对较大，所以类似的漩涡在模型表面还有很多处。这些漩涡会减小模型表面层流区的长度，加速湍流化的过程，导致摩擦阻力的增加。由于空气粘度很小，同时漩涡的存在也会造成模型表面摩擦阻力的多向性，因此与压差阻力相比模型受到的摩擦阻力十分微小，可以忽略不计，具体阻力数值如表1所示。

图3 模型B表面速度矢量示意图

表1 模型D受力分析结果

表2 与模型A相比各模型的阻力减小

从表2可以看出，通过优化上层建筑的外形，可以起到降低风阻的作用，随着相对风速的提高，风阻优化的效果更加明显。

空气阻力的计算公式表示为：

在相对速度和空气密度一定的条件下，模型受到的风阻是由模型的迎风面积S和模型的空气阻力系数Cd决定的。由于模型D是将原始模型A的各个折角处改为半径R=0.5 m的圆弧面，既减少了迎风面积又使得模型的外形更接近于流线型，降低了空气阻力系数，因此，收到了相对好的优化效果。

2 减阻装置研究

2.1 装置介绍

选取安放在船舶生活区驾驶室侧翼及支撑柱上的附加装置，可以使入射气流形成若干个斜面角，从而起到降低风阻的作用。图4中的长方体是驾驶室侧翼的一部分，尺寸参考了某散装船的驾驶室侧翼的实际尺寸。前部的弧面为降低风阻 的附加装置，具体的尺寸如图4所示。

图4 模型B示意图

2.2 计算的前处理

文中建立了三种数值模型。模型A为未安装降低风阻附加装置的驾驶室侧翼的原始模型；模型B是图4表示的数值模型；出于实际生产安装工艺的考虑，模型C是在图4的数值模型的基础上，将附加装置从中间切开，留下0.4 m的空隙，将原附加装置分成两个独立部分安装在驾驶室侧翼上。

数值模拟需要的网格采用商用软件来生成。为了精确的捕捉到3个模型的不同之处，模型本体及模型在计算域各表面的投影网格间距为10个单位长度（cm），其他的线及面采用以模型本体为中心向外发散，网格间距逐渐扩大的方法生成。同时为了能够准确的比较3个模型的计算数据，减小因为网格数量和构成类型不同造成的计算误差，3个模型均采用六面体与四面体混合构造法，网格数目都在70万左右。

数值计算采用商用软件来进行。除了由于流场内计算实体只有一个，相对简单，所以除湍流模型采用标准k-ε模型外，其他的设定以及边界条件的选择与前面的生活区风阻计算保持一致。

2.3 结果分析

图5、图6、图7为各个模型在相对速度5m/s条件下的前表面压力云图，颜色越接近红色表示压强越大。对比这三张压力云图可以看出，在安装了降低风阻的附加装置后，模型前表面的高压区明显减小。从图8可以看出这是由于气流在遇到附加装置的圆弧形前表面后，加速向上（向下），绕过了后部的驾驶室侧翼部分所产生的。

图5 模型A前表面等压图

图6 模型B前表面等压图

图7 模型C前表面等压图

图8 模型B表面速度矢量图

从图9的柱状图中可以发现，模型B、C都可以达到减阻30%以上的优化效果，并且随着相对速度的提高，优化效果也更加明显。但总的来说，模型C与B相比优化效果差异不大。

图9 模型B、C与模型A相比的阻力减少

从图9的柱状图中可以发现，模型B、C都可以达到减阻30%以上的优化效果，并且随着相对速度的提高，优化效果也更加明显。但总的来说，模型C与B相比优化效果差异不大。

3 结论

本文应用CFD方法，通过对生活区不同外形方案进行数值模拟和对计算结果的比较分析，得出如下结论：

1）对生活区的外形进行优化设计可以起到有效的减少风阻的作用。由于考虑到生活区实际的布置要求，文中只是针对生活区进行了较小的外形优化。在外形整体结构上有较大的优化空间的情况下，还可以进一步采取复合阶梯式优化，切角优化等措施以达到更好的减阻效果。

2）降低风阻的附加装置虽然存在只能加装在驾驶室侧翼及支柱上这一局限性，但是附加装置的运用对于降低风阻起到十分明显的效果。通过安装附加装置以达到减阻目的的流场整合方法具有进一步开发和拓展的空间。

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

[2]日本邮船.居住区の風圧抵抗を10%低減[N/OL].http://www.nyk.com/release/1413/NE_110704.html