船舶高效节能附体开发技术研究及应用

摘要：目前节能减排、绿色航运是交通运输行业的研究热点。该技术通过开展计算流体力学数值模拟进行节能装置水动力性能设计、分析，以模型试验对节能装置水动力性能进行验证。基于参数化建模及遗传算法选优，通过开展参数化几何外形建模，在设计过程中应用优化算法，使用遗传算法筛选出较为优异的方案，以提高螺旋桨的推进效率，最终达到节能减排的效果。关键词：船舶工程；流体力学；数值模拟；绿色航运；节能减排1技术概况本项目基于流体力学（CFD）计算与模型试验的节能装置设计技术，通过模型试验验证节能装置水动力性能。以参数化建模及遗传算法选优，开展参数化几何外形建模，在设计过程中应用优化算法，使用遗传算法筛选出较为优异的方案。采用桨前节能装置加桨后节能装置的组合，安装于船后，以提高螺旋桨的推进效率，最终达到节能减排的效果。2技术原理桨前节能装置通过导叶产生的预旋流动来对伴流场进行改善，使螺旋桨后面的旋转能量损失有所减少，进而提高船舶的推进效率，达到节能目的。桨后节能装置是吸收并利用桨后的旋转能量提高螺旋桨效率，进而提高船舶的推进效率，产生节能效果。该技术的关键技术体现在以下三个方面：（1）基于流体力学（CFD）计算与模型试验的节能装置设计技术，通过开展计算流体力学数值模拟进行节能装置水动力性能设计、分析，通过模型试验验证节能装置水动力性能。（2）基于参数化建模及遗传算法选优，传统的节能设计依赖人员经验，通过开展参数化几何外形建模，在设计过程中应用优化算法，通过遗传算法筛选出较为优异的方案。（3）节能效果的尺度效应研究及节能效果模型/实船预报方法研究，通过实船应用与模型试验对比研究节能附体在模型尺度下和实船尺度下的水动力特性差异。3技术创新点附体节能技术是一项较为成熟可靠的技术，已有几十年的发展历程，当前主要运输船舶中多有涉及附体节能技术。在设计过程中应用参数化建模及优化算法选优，逐步降低设计过程对人员经验的依赖，实现部分智能设计。通过开展实船应用和模型试验对比，能够获得可靠的节能数据，从而可以分析节能装置在模型和实船上节能效果的差异。附体节能技术主要适用于内河船和海船等船舶航运领域，根据长期以来对数百条船舶试验所形成的数据库（见表1），以及对船模试验结果与客户反馈的实船试航结果进行相关分析，结果反映出水池模型试验结果与实船试航结果具有高度的一致性，组合节能装置可以在实船航行中取得可观的节能减排效益。4技术应用情况4.1项目介绍325KVLOC船节能装置应用，桨前导管节能3%，桨后帽鳍节能1.5%，总计4.5%。一般该吨位船舶日耗油约100t，每日节油约4.5t，一年按航行140天左右计算，节油约650t，减少二氧化碳排放700t。目前市场上船舶燃油价格为2000元/吨，每年油耗可节约130万。上述节能装置设计建造、安装等费用约200万，两年即可收回成本。4.2实施方案（1）通过查找文献资料，对现有的桨前、桨后节能装置的几何外形和水动力特性进行分析，研究其节能机理。（2）基于节能机理研究成果开展桨前、桨后节能装置设计，在设计中应用参数化建模及优化算法选优，通过CFD数值模拟技术和物理试验最终确定设计方案，形成桨前、桨后节能装置设计方法。（3）选取航运公司的典型运营船舶进行安装应用，并记录主机功率、航速、油耗等数据，从而获得可靠的实船节能效果数据。（4）基于实船节能效果数据和模型试验结果，分析节能装置在模型和实船尺度下水动力性能的差异，从而形成模型到实船的节能装置节能效果预报方法。（5）与修造厂合作进行生产设计、制造，从而形成生产设计方法及制造工艺；而后向船东进行推广应用；进一步扩大应用范围向国内外船东、船厂进行市场推广。5节能降碳效益测算评价5.1经济效益该节能装置可以有效降低船舶燃料消耗，经过简单估算：对于每千瓦时消耗一百到二百克燃料的主机，若能减少主机功率数百千瓦则每年能节省至少上百吨燃料。国内外部分垄断型节能装置设备商收费高昂，自研自制节能装置开发成功之后可以降低节能装置采购、安装费用。以一条VLOC为例，节能效果可以达到每年节油650t左右，减少的二氧化碳排放可以达到每年700t左右。5.2社会效益节能装置不仅能减少燃料消耗，同时还可以节能减排保护环境促进绿色航运的发展。发展绿色航运是建立在维护地球环境和可持续发展的基础之上，减少航运活动对环境的危害，避免资源浪费，因此有利于社会经济可持续发展。现今消费者对企业的接受和认可不再仅限于关注其是否能够提供质优价廉的产品和服务，还越来越关注企业是否具有社会责任感，即企业是否超越把利润作为唯一目标