船舶绿色节能技术试验验证方法浅析

2022-08-05周传明陈伟民

上海船舶运输科学研究所学报 2022年3期

周传明，张立，陈伟民

(上海船舶运输科学研究所有限公司 a.航运技术与安全国家重点实验室；b.航运技术交通行业重点实验室，上海 200135)

0 引言

为有效应对全球气候变暖的问题，社会各界开展了广泛的合作，采取了一系列节能减排措施。当前，我国正在走绿色发展道路，将“碳达峰(2030年)”和“碳中和(2060年)”作为2个重要目标。国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)一直致力于推动造船业和航运业温室气体减排工作的开展，将降低船舶碳排放作为重点管理方向，提出了多项指数、指标，以促进船舶设计和运营阶段绿色节能技术的发展，主要包括船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI)、船舶能效营运指数(Energy Efficiency Operation Index, EEOI)、现有船舶能效指数(Energy Efficiency Existing Ship Index, EEXI)和碳强度指标(Carbon Intensity Indicator, CII)等。这些指数、指标对船舶绿色节能技术的发展提出了更高的要求。

试验技术是船舶绿色节能技术有效性的验证方法之一。不同形式的绿色节能技术因技术机理不同，所需的试验设备、试验环境和试验验证方法有所不同。例如：桨前水动力节能装置等节能技术的试验验证大多是在拖曳水池中进行的；毂帽鳍等桨后节能装置的试验验证通常是在空泡水筒中进行的，以捕捉局部流场的影响。通过先进的流场测量设备对艉部精细流场进行测量研究，能从精细流场的角度深入研究流场的流动特征，并分析流动机理，如粒子图像测速技术(Particle Image Velocity, PIV)试验等。为降低尺度效应对节能效果验证的影响，可在湖中或海湾中进行大尺度(甚至是实尺度)试验。

基于此，本文参考IMO的MEPC.1/Cir.815通函中的船舶绿色节能技术分类(A类为降低主机功耗；B类为主机创新节能；C类为辅机创新节能)，简要介绍不同形式的节能技术，分析当前主要采用的节能技术有效性试验验证方法，根据不同节能技术的特点，对比分析不同试验技术的适用性，为绿色节能技术有效性的试验验证提供参考。

1 主要的绿色节能技术

从减小阻力、提高推进或燃油效率、回收能量和提供辅助推力等角度考虑，IMO的MEPC.1/Cir.815通函将主要的绿色节能技术分为A、B和C等3类。

1.1 A类节能技术

A类节能技术主要是指能迁移主机功率曲线，但不能从船舶总体性能中剥离开的节能技术。大部分A类节能技术都具有技术成熟度高、经济成本低和船舶所有人认可度高等优点，主要有以下几类。

1.1.1 水动力节能装置

水动力节能装置的节能机理是改善流场，提升螺旋桨进流的均匀度或减少能量损失，降低船舶能耗水平。

1) 桨前节能装置：导管、预旋定子和导流鳍等桨前水动力节能装置，通过改善船尾伴流场和螺旋桨附近流场的特性，提升螺旋桨的推进性能，并减少流动分离的产生，甚至减小船舶总阻力。该装置是目前商船上广泛采用的一款节能装置，具有结构简单、安装方便的优点，适于新造船和在役船舶改造采用，节能效果明显。

2) 桨后节能装置：毂帽鳍的节能原理是降低或消除桨毂附近的毂涡，减少空泡，进而提升螺旋桨的敞水性能和船体的整体性能。自由旋转叶轮是在螺旋桨后侧用来回收螺旋桨损失的能量的节能装置，其原理是利用自由旋转叶轮的内径部分吸收螺旋桨艉流中的能量，带动外径部分旋转，产生附加推力。

3) 节能舵：扭曲舵、舵球和舵推力鳍等是不同形式的节能舵，是利用桨舵干扰和流场改善等原理回收艉流中的能量，提升推进效率或产生附加推力的节能装置。

1.1.2 船型优化

船型优化是在船舶设计阶段最常用的节能技术之一，其基本思路是以船体水动力性能为目标函数，采用几何变换技术，在一定的几何约束条件下修改船体线型，结合优化算法，最终获得航行性能和经济性能优良的船体线型。

1.1.3 高性能推进技术

高性能推进技术能高效地利用主机提供的能量，以较高的效率将能量转化为船舶推进力。典型的高性能推进技术主要包括螺旋桨优化和新型推进技术等。

1.1.4 防污减阻涂层

在船舶阻力成分中，表面摩擦力占比为30%～60%，从减小船体表面摩擦力的角度考虑，采用防污减阻涂层可促使船体表面更光滑，并减少污底的产生，降低船体表面的粗糙度，进而达到减阻和降低能耗的目的。采用防污减阻涂层是一种成本低且收益良好的节能方式，但会受船舶所在航区的政策和标准的影响。

1.2 B类节能技术

B类节能技术是指不能体现在主机功率曲线中，但能降低推进船舶所需功率的节能技术，主要包括气层减阻和风力助推转子。

1.2.1 气层减阻

气层减阻的工作原理是将空气或废气等气体引入船底，在船底表面形成“气-水”混合的两相流，通过减小液体黏性系数减小船体的摩擦阻力。

1.2.2 风力助推转子

利用转子在旋转时形成的压力差产生助推力，进而实现节能。当前该技术已在大型散货船和油船上得到应用，是满足EEDI第三阶段要求的手段之一。

1.3 C类节能技术

C类节能技术主要是指辅机节能技术，典型的有废热回收和太阳能等。目前C类节能技术在船上的应用相对较少，主要原因是其提供的能量较少、改造成本较高、总体性价比较低等。

2 试验验证技术

船舶性能验证主要在2种条件下进行：一是在模型尺度下根据模型与实船的相似关系对实船的性能进行预报；二是在实船尺度下进行分析验证。对于验证方法而言，虽然计算流体力学方法具有虚拟程度高、周期短等优点，可为船舶节能技术的有效性验证提供较好的参考，但物理试验技术仍是当前研究和验证船舶性能最可靠的方法。

2.1 模型尺度试验

2.1.1 拖曳水池试验

拖曳水池试验是在拖曳水池中对模型尺度下的船模、局部构件等的水动力性能进行研究的试验技术，可复现性较高，其测试结果往往作为参考基准，是验证A类节能技术的主要手段，是当前水动力节能装置有效性验证的主要方式。通过开展该试验，一方面能比较不同节能装置的优劣，为节能装置设计提供指导，另一方面能计算船舶的航速，使船舶在实际运营过程中达到绿色标准。

图1为加装组合式水动力节能装置的某油船试验船模，该试验是在上海船舶运输科学研究所拖曳水池内进行的。

图1 加装组合式水动力节能装置的某油船试验船模

2.1.2 空泡水筒试验

空泡水筒或循环水槽等装置可用来进行局部流场测试，通过模拟局部位置的流场，将目标物体放置于流场中，观测船舶、水下物体和水动力节能装置或推进器等的敞水性能、空泡性能、噪声和振动特性等。局部流场试验适于在局部流场、空化现象等物理问题的验证和机理研究中应用，空泡水筒试验同样适于在A类节能技术研究中应用，如螺旋桨毂帽鳍的节能效果验证和螺旋桨或舵的水动力性能验证等可在空泡水筒或循环水槽中进行。

图2为某散货船的螺旋桨毂帽鳍节能效果验证试验模型，该试验是在上海船舶运输科学研究所空泡水筒内进行的。

图2 某散货船的螺旋桨毂帽鳍节能效果验证试验模型

2.1.3 精细流场测试

虽然通过开展水池试验或局部流场测试能测量得到船模，以及桨、舵和附体等装置的力学性能，但很难测得流场细节的矢量速度，这会给节能装置机理研究带来不便。随着以PIV方法为代表的精细流场测试技术的不断发展，将示踪粒子播撒到液体中，采用光学方法追踪流体的流动，能从精细流场的角度研究艉流或节能装置附近水流的流动特征和流动机理。因此，精细流场测试技术也适于在A类节能技术的有效性试验验证中应用。图 3为有无桨前节能装置的PIV流场测试结果对比，其中为螺旋桨半径。

a) 无桨前节能装置的PIV测试结果

b) 有桨前节能装置的PIV测试结果图3 有无桨前节能装置的PIV流场测试结果对比

2.2 实尺度试验

2.2.1 实船试航

实船试航方法可用于对新造船进行性能验收和理论研究等，可将实船试航结果与模型试验结果相结合，检验模型试验的预报精度。节能技术的有效性验证结果最终要反映到实船的效率提升上，实船试航对节能技术的效果验证主要通过同航线姊妹船和船舶节能改装前后的实际节能效果对比实现。因此，实船试航是检验所有节能技术的节能效果的方式之一。

在满足国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference,ITTC)试航条件的实船上进行试航验证，某超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)在安装桨前节能装置Mewis Duct(见图4)之后，经过航速修正，发现其在部分航速下的节能效果明显。

图4 某船安装的桨前节能装置Mewis Duct

2.2.2 实船PIV试验

实船PIV试验可用来测量实船艉部流场，具有重要的实际研究价值，尤其是能分析实尺度高雷诺数下的艉流和螺旋桨空泡性能。但是，实船PIV试验是一种成本较高的试验方法，主要用来研究和验证A类节能技术的机理和节能效果。图5为实船试航和实船PIV测试示意图。

a) 实船试航场景

b) 实船PIV测试示意图1

c) 实船PIV测试示意图2图5 实船试航和实船PIV测试示意图

3 绿色节能技术试验验证方法对比

常见的船舶绿色节能技术试验验证方法及其设备、设施、精确度、研究现状和发展趋势汇总见表1。

表1 常见的船舶绿色节能技术试验验证方法汇总

试验技术在验证船舶绿色节能技术的节能效果方面具有重要作用，但仍存在一定的限制。在模型尺度下研究A类和B类节能技术的节能效果时，由于尺度效应的存在，会导致试验验证结果与实际应用中的节能效果存在一定的差异。因此，模型尺度试验的分析结果需与实船数据紧密结合，二者互为参照。采用精细流场测试方法研究节能机理，能指导科研人员进行节能技术开发，但精细流场试验的成本较高，周期较长，因此难以商用，未来仍主要作为实验室研究技术。

实尺度试验可用来验证A类、B类和C类节能技术的节能效果，可通过对实尺度试验结果与模型尺度试验结果进行分析，提高模型试验的预报精度。但是，在进行实尺度试验时，受多种环境因素的影响，测试条件往往是一次性的，难以复现。