船舶高效節(jié)能附體開發(fā)技術(shù)研究及應(yīng)用

摘要：目前節(jié)能減排、綠色航運是交通運輸行業(yè)的研究熱點。該技術(shù)通過開展計算流體力學數(shù)值模擬進行節(jié)能裝置水動力性能設(shè)計、分析，以模型試驗對節(jié)能裝置水動力性能進行驗證?；趨?shù)化建模及遺傳算法選優(yōu)，通過開展參數(shù)化幾何外形建模，在設(shè)計過程中應(yīng)用優(yōu)化算法，使用遺傳算法篩選出較為優(yōu)異的方案，以提高螺旋槳的推進效率，最終達到節(jié)能減排的效果。關(guān)鍵詞：船舶工程；流體力學；數(shù)值模擬；綠色航運；節(jié)能減排1技術(shù)概況本項目基于流體力學（CFD）計算與模型試驗的節(jié)能裝置設(shè)計技術(shù)，通過模型試驗驗證節(jié)能裝置水動力性能。以參數(shù)化建模及遺傳算法選優(yōu)，開展參數(shù)化幾何外形建模，在設(shè)計過程中應(yīng)用優(yōu)化算法，使用遺傳算法篩選出較為優(yōu)異的方案。采用槳前節(jié)能裝置加槳后節(jié)能裝置的組合，安裝于船后，以提高螺旋槳的推進效率，最終達到節(jié)能減排的效果。2技術(shù)原理槳前節(jié)能裝置通過導葉產(chǎn)生的預(yù)旋流動來對伴流場進行改善，使螺旋槳后面的旋轉(zhuǎn)能量損失有所減少，進而提高船舶的推進效率，達到節(jié)能目的。槳后節(jié)能裝置是吸收并利用槳后的旋轉(zhuǎn)能量提高螺旋槳效率，進而提高船舶的推進效率，產(chǎn)生節(jié)能效果。該技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在以下三個方面：（1）基于流體力學（CFD）計算與模型試驗的節(jié)能裝置設(shè)計技術(shù)，通過開展計算流體力學數(shù)值模擬進行節(jié)能裝置水動力性能設(shè)計、分析，通過模型試驗驗證節(jié)能裝置水動力性能。（2）基于參數(shù)化建模及遺傳算法選優(yōu)，傳統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計依賴人員經(jīng)驗，通過開展參數(shù)化幾何外形建模，在設(shè)計過程中應(yīng)用優(yōu)化算法，通過遺傳算法篩選出較為優(yōu)異的方案。（3）節(jié)能效果的尺度效應(yīng)研究及節(jié)能效果模型/實船預(yù)報方法研究，通過實船應(yīng)用與模型試驗對比研究節(jié)能附體在模型尺度下和實船尺度下的水動力特性差異。3技術(shù)創(chuàng)新點附體節(jié)能技術(shù)是一項較為成熟可靠的技術(shù)，已有幾十年的發(fā)展歷程，當前主要運輸船舶中多有涉及附體節(jié)能技術(shù)。在設(shè)計過程中應(yīng)用參數(shù)化建模及優(yōu)化算法選優(yōu)，逐步降低設(shè)計過程對人員經(jīng)驗的依賴，實現(xiàn)部分智能設(shè)計。通過開展實船應(yīng)用和模型試驗對比，能夠獲得可靠的節(jié)能數(shù)據(jù)，從而可以分析節(jié)能裝置在模型和實船上節(jié)能效果的差異。附體節(jié)能技術(shù)主要適用于內(nèi)河船和海船等船舶航運領(lǐng)域，根據(jù)長期以來對數(shù)百條船舶試驗所形成的數(shù)據(jù)庫（見表1），以及對船模試驗結(jié)果與客戶反饋的實船試航結(jié)果進行相關(guān)分析，結(jié)果反映出水池模型試驗結(jié)果與實船試航結(jié)果具有高度的一致性，組合節(jié)能裝置可以在實船航行中取得可觀的節(jié)能減排效益。4技術(shù)應(yīng)用情況4.1項目介紹325KVLOC船節(jié)能裝置應(yīng)用，槳前導管節(jié)能3%，槳后帽鰭節(jié)能1.5%，總計4.5%。一般該噸位船舶日耗油約100t，每日節(jié)油約4.5t，一年按航行140天左右計算，節(jié)油約650t，減少二氧化碳排放700t。目前市場上船舶燃油價格為2000元/噸，每年油耗可節(jié)約130萬。上述節(jié)能裝置設(shè)計建造、安裝等費用約200萬，兩年即可收回成本。4.2實施方案（1）通過查找文獻資料，對現(xiàn)有的槳前、槳后節(jié)能裝置的幾何外形和水動力特性進行分析，研究其節(jié)能機理。（2）基于節(jié)能機理研究成果開展槳前、槳后節(jié)能裝置設(shè)計，在設(shè)計中應(yīng)用參數(shù)化建模及優(yōu)化算法選優(yōu)，通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)和物理試驗最終確定設(shè)計方案，形成槳前、槳后節(jié)能裝置設(shè)計方法。（3）選取航運公司的典型運營船舶進行安裝應(yīng)用，并記錄主機功率、航速、油耗等數(shù)據(jù)，從而獲得可靠的實船節(jié)能效果數(shù)據(jù)。（4）基于實船節(jié)能效果數(shù)據(jù)和模型試驗結(jié)果，分析節(jié)能裝置在模型和實船尺度下水動力性能的差異，從而形成模型到實船的節(jié)能裝置節(jié)能效果預(yù)報方法。（5）與修造廠合作進行生產(chǎn)設(shè)計、制造，從而形成生產(chǎn)設(shè)計方法及制造工藝；而后向船東進行推廣應(yīng)用；進一步擴大應(yīng)用范圍向國內(nèi)外船東、船廠進行市場推廣。5節(jié)能降碳效益測算評價5.1經(jīng)濟效益該節(jié)能裝置可以有效降低船舶燃料消耗，經(jīng)過簡單估算：對于每千瓦時消耗一百到二百克燃料的主機，若能減少主機功率數(shù)百千瓦則每年能節(jié)省至少上百噸燃料。國內(nèi)外部分壟斷型節(jié)能裝置設(shè)備商收費高昂，自研自制節(jié)能裝置開發(fā)成功之后可以降低節(jié)能裝置采購、安裝費用。以一條VLOC為例，節(jié)能效果可以達到每年節(jié)油650t左右，減少的二氧化碳排放可以達到每年700t左右。5.2社會效益節(jié)能裝置不僅能減少燃料消耗，同時還可以節(jié)能減排保護環(huán)境促進綠色航運的發(fā)展。發(fā)展綠色航運是建立在維護地球環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)之上，減少航運活動對環(huán)境的危害，避免資源浪費，因此有利于社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)今消費者對企業(yè)的接受和認可不再僅限于關(guān)注其是否能夠提供質(zhì)優(yōu)價廉的產(chǎn)品和服務(wù)，還越來越關(guān)注企業(yè)是否具有社會責任感，即企業(yè)是否超越把利潤作為唯一目標