基于吃水差优化的船舶能效仿真研究
时间：2020-12-18 20:06:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：随着海上运输的快速发展，其带来的环境污染和能源的消耗也日益加剧，所以要节能减排、提高船舶营运能效水平。通过调整船舶吃水差，改变船舶的浮态，从而降低船舶航行的阻力，改善船舶的航行性能，提高船舶的能效營运水平。本文以上海海事大学的教学实习船----育明轮为研究对象，通过仿真与试验结合，并结合项目组研发的船舶能效监控系统实测出育明轮在不同吃水差下的主机每海里油耗，得出当育明轮在满载即吃水为11米、航速12 knots时航行，吃水差为-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、0.5米和1米六种浮态中，吃水差为-0.2米时的两相流（空气、水）中的阻力和船舶主机每海里油耗量最小，能效营运水平最高。
关键词：能效 吃水差 船舶阻力 主机油耗
为了提高船舶营运能效，航运界提出了多种节能减排的方法，例如降速航行、航线优化、气泡减阻、主机热经济学分析、采用LNG等新能源。但是，要采取这些节能减排的方法都要增加船舶的投资资本或者是降低营运效率，并且这些方法对不同的船舶有不同的适应性，因此不能进行普遍推广。本文利用FLUENT软件计算船舶不同吃水及不同速度时在单相流（水）、两相流（空气、水）中的阻力，并结合项目组研发的船舶能效监控系统实测出船舶在不同吃水差下主机每海里的油耗，比较船舶在同种工况不同吃水差下阻力和主机每海里油耗的变化趋势，从而找出在相应工况下的最佳吃水差。
1.船舶吃水差及阻力计算模型
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与艉吃水da的差，用t表示，即：
当艏吃水大于艉吃水时，即吃水差为正值时，船舶为艏倾（Trim by bow）；当艏吃水小于艉吃水时，即吃水差为负值，船舶为艉倾（Trim by stern）；当艏吃水等于艉吃水时，即吃水差为零，船舶为平浮（Even keel）。
因船舶装载的压载水、货物以及燃料的装卸，使船舶的重心偏离船舶在正浮时的浮心位置，产生纵倾力矩，从而使船舶艏吃水与艉吃水不同。
1.2吃水差对船舶航行性能的影响
船舶不同的吃水和不同的吃水差都会对船舶的航行性能产生影响。如果船舶的艏倾过大，其首部甲板易上浪，舵叶和螺旋桨入水深度相对减小，如果遇到风浪，舵叶和螺旋桨易露出水面，形成飞车，导致船舶的航行稳定性变差，推进效率也降低。如果船舶的艉倾过大，不仅使首部底板容易受波浪拍打，船舶的操纵性会变差，驾驶台瞭望的盲区增加，还会使航速降低。
1.3 阻力理论计算
1.3.1质量守恒方程
流体在流场中流动需要遵循物理守恒定律，其中包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等，具体表现为连续性方程和N-S方程。
2.模型的建立和选择
2.1 模型的建立
本文设定的边界条件将在下面依次说明，在只对水下船体阻力研究时，边界条件设定的比较简单，在粘性模型中选择RNG k-ε 模型，在对材料进行定义时，需要添加液体水，对船舶在不同的航速时需要对inlet-water速度进行相应的设定，例如当船舶的航速在12 knots时，将i n le t-w ater速度设定为6.1733m/s2，如果要研究船舶处于空气和水两种介质中的阻力，要使用VOF模型，并追踪空气、水二相流的自由液面，在静水面划分不同介质的流域，即静水面以上为空气部分，静水面以下为液体水部分，对船舶航行的阻力进行计算，应保证船舶水线面与气液相界面保持一致。
2.2 模型的选择
本文分析船舶阻力时选择RNGk-ε模型和VOF 模型。要让RANS方程组封闭，降低数值模拟计算的复杂程度，需要用 k-ε 模型来计算雷诺应力，根据推广的Boussinesq的eddy viscosity关系：
3.模拟结果与试验结果对比
3.1满载时船舶在不同吃水差下的静水阻力
计算船舶在不同吃水差下静水的阻力，在水面以下船体的几何形状、船体的湿面积以及水线长度都不相同。本文定义吃水差为df-da，即吃水差为正值时表示船舶处于艏倾状态，吃水差为负值时表示船舶处于艉倾状态，在育明轮在满载即吃水11米、速度12knots时，分别计算-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、+0.5米和+1米六种不同吃水差下的阻力。对于计算出的阻力主要用于分析船舶在改变吃水差前后的阻力变化，为了更明显的反映阻力变化需引入阻力增减比，即：
增减比=（吃水差改变后的阻力-平吃水的阻力）/平吃水的阻力×100%
当育明轮在航行时，其艏艉处的存在压强差以及艉部的回流会产生船舶阻力，阻力主要存在于船艏部分，并且船艉处的受力方向和船艏的受力方向相反。通过计算，得出的阻力如表1。
