船舶吃水差优化的研究

第19卷 第4期 中 国 水 运 Vol.19 No.4 2019年 4月 China Water Transport April 2019

收稿日期：2018-11-03

作者简介：戚可成（1972-），男，上海海华轮船有限公司高级轮机长。

船舶吃水差优化的研究

戚可成1

，方剑益1

，曾向明2

，王 琦2

（1.上海海华轮船有限公司，上海 200080，2.上海海事大学，上海 200080）

摘 要：随着全球经济的快速发展，航运业也更加繁荣，与此同时，也带来了环境污染和能源逐渐枯竭的局面，为此，要提高船舶营运能效、节能减排。本文以”育明”轮为研究对象，通过仿真与试验结合，找出最佳吃水差。利用FLUENT 计算出计算船舶在不同吃水差下的阻力，通过船舶能效监控系统实时测出主机每海里油耗，并比较不同吃水差下船舶阻力的变化趋势和油耗的变化趋势，从中找出最佳吃水差，以供“育明”轮应用于实际航行，同时，也为其他营运船舶提供一个节能减排的新方法。 关键词：吃水差优化；船舶阻力；油耗

中图分类号：U674 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）04-0010-04

一、引言

根据国际海事组织（IMO）的统计，全球90%以上的贸易量都是由船舶运输来完成的，但是船舶在运输过程中也给环境带来了污染，如氮氧化物、硫氧化物、温室气体等，已经引起了国际社会的关注。其中，海上运输每年排放的温室气体超过1,000万t，占全球CO 2总排放量的2.7%左右[1]。

在此背景下，提高船舶能效、节能减排已势在必行。目前，航运界提出了多种节能减排的方法，如降速航行、航线优化、气泡减阻等。但是，这些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。而调整船舶首尾吃水、改变吃水差，从而改变船舶在水中的航行姿态，降低船舶航行的阻力是一种相对简单而且具有普适性的船舶节能方法。

从国内外研究文献来看，1991年，王兴权等人[2]对“松林”号货轮做了纵倾的试验，并证实了通过调整船舶的纵倾状态可以节能；王伟等人[3]通过使用CFD 对KCS 船做了不同纵倾下的阻力预报，并从中得到船舶的最佳纵倾角和其节能效果；张剑在论文[4]中以46,000t 的油轮为研究对象，利用FLUENT 不同浮态下的船舶阻力进行计算，得出船舶处在艉倾3~4m 状态时的阻力最小，与平浮状态下相比可使航行阻力减少了2%；Subramani 和Paterson 等[5]对FF1052 和S60采用CFD 来计算船舶的阻力，然后将计算结果和实验结果对比，发现它们变化的趋势几乎一致，并且计算出的阻力最大值和实验中的最大值也很接近。

本文以“育明”轮为研究对象，使用通用流体计算软件FLUENT 计算船舶在不同吃水差下的阻力，并结合项目组研发的能效监控系统实测的主机油耗相对比，从中找出船舶在不同营运环境下的最佳吃水差，并提出吃水差优化的研究方法。

二、船舶吃水差

由于船舶装载的压载水、货物以及燃料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[6]。

船舶的吃水差是指船舶的艏吃水d f 与艉吃水d a 的差，用t 表示，即：

f a t =d d - （1）

当艏吃水大于艉吃水时，船舶的浮态为艏倾（Trim by bow）；当艏吃水小于艉吃水时，船舶的浮态为艉倾（Trim by stern）；当艏吃水等于艉吃水时，船舶的浮态为平浮（Even keel）。

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重要的影响。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。

因此，船舶要保证在合适的吃水差下航行，如果调整的吃水差使船舶的阻力最小，主机每海里消耗的燃油量最小，能效营运水平最高，此时的吃水差被称为船舶最佳吃水差。

在通常情况下，计算船舶的首尾吃水时可以用下式近似求取：

0.5f m d =d +t （2）

0.5a m d =d t - （3） 除了可以用吃水差t 表示船舶的纵倾状态，还可以用纵倾角φ来表示船舶的纵倾状态，其中纵倾角φ要满足：

tan t

φ=

L

（4） 三、建模与计算 1．建立船舶模型

第4期 戚可成等：船舶吃水差优化的研究 11

本文以“育明”轮为研究对象，其船型参数如表1。

表1 “育明”轮船型参数

水线长 垂线间长 型宽 型深 结构吃水 型排水体积 方形系数 186.5m

183m

32.26m

15.7m

11.2m

51,408m 3

0.854

通过其型线图建立船舶三维模型如图

1。

图1 船舶模型

2．建立流域并划分网格

在建立模型后还要建立合适的流域，通常对流域的形状没有严格要求，大小只要能达到计算的精度即可。然后要在流域内划分网格，划分合适的网格是非常重要的，因为网格的质量和数量会直接影计算的速度和计算精度，特别是船体周围的网格直接影响着计算的船舶阻力[7-8]。为了提高网格的质量，将流域分块处理，即在包含船体的流域划分四面体网格，船体四周的流域划分六面体网格。有文献指出，网格的数量大约在40万时，基本上就能达到计算结果的精度要求，在本文中划分的网格数量达到90万以上，且网格质量在0.75以上，所以能符合数值计算的要求。

3．设定边界条件

在设定边界条件时，本计算选择雷诺时均算法作为湍流模型，根据相关文献RNG k-ε 模型是最适合用于计算船舶黏性流场[9]。在粘性模型中选择RNG k-ε 模型后，对与单相流中的阻力计算时，要选择稳态，在对材料进行定义时，需要添加密度为998.2 kg/m 3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inlet-water 速度设定为6.1733m/s 2，当船舶的航速在6 knots 时，将inlet-water 速度设定为3.0867m/s 2，为了保证计算结果的精确，将收敛残差限设置为1×10-3。

对两相流中的阻力计算时，要选用瞬态模型，并且要施加重力加速度9.8 m/s 2

，方向指向Z 轴负方向。在添加液态水材料后，在Phases 中要将空气定义为第一相，水定义为第二相，通过mixture 设定速度时、phase-2设定体积分数，在初始化时，要将phase-2的体积分数定义为0，并通过patch 对水面以下的流域进行添加。除此之外，还要在多相流模型中要选择VOF 模型，因为在研究船体航行在粘性流场中的阻力时，要考虑空气和水对船舶产生的阻力，要选择VOF 方法对计算域的自由液面进行追踪。

四、计算结果及分析 1．不同吃水差下的阻力

船舶在航行过程中，会受到水和空气两种流体介质对其产生的阻力，虽然船舶受到的空气阻力很小，但是在精确计

算船舶阻力时，也不能忽略，为了研究船舶在不同状态下空气阻力对船舶航行的影响，分别计算出船舶在单相流中的阻力和两相流中的阻力。

本文将吃水差定义为d f -d a ，即吃水差为正时表示船舶艏倾，吃水差为负时表示船舶艉倾，当”育明”轮在满载即吃水11m、速度12节时，分别计算出-1.4、-0.37、-0.2m、0、+0.5和+1m 六种不同吃水差时的受到单相流的阻力和两相流的阻力如表2。

表2 满载状态速度12 knots 时的阻力

当前吃水=11m 速度（s）=12 knots

吃水差/m

单相流（水）的阻力/kN

两相流（空气、水）的阻力/kN

-1.4m 433.2951 447.3096 -0.37m 398.1368 411.4003 -0.2m 390.0912 403.3084 0m 410.4175 423.5475 0.5m 426.7595 440.0094 1m

422.4397

435.9192

由此可看出，当“育明”轮速度为12节、满载航行时，其受到两相流中的阻力与单相流中的阻力在不同吃水差下变化的趋势基本相同，只是变化的幅度不同。当船舶处于艏倾状态时受到的阻力比平浮时的阻力都有所增加，当船舶处于小角度的艉倾状态时，其阻力比平浮时的阻力有所降低，特别是在吃水差在-0.2m 时，船舶在单相流中和两相流中的阻力相比于平浮时单相流中的阻力和两相流中的阻力分别可减少4.95%、4.79%，但是当船舶处于过大的艉倾状态时，其阻力将比平浮时有所增加，在吃水差为-1.4m 时，船舶在两相流中受到的阻力比平浮时的阻力增加了5.61%。

有时船舶因货流的原因要空载返航，当船舶处于空载时，由于其吃水相对较小，螺旋桨会露出水面，从而使推进效率大大的降低，所以船舶在空载是保持一定的艉倾。对于本文研究的“育明”轮，在空载、速度为12节时，分别计算吃水差在-3、-2.5、-2.3和-1.5m 四种状态时单相流中的阻力和两相流中的阻力如表3。

表3 空载状态速度12 knots 时的阻力

当前吃水=5m 速度（s）=12 knots

吃水差/m 单相流（水）的阻力/kN

两相流（空气、水）的阻力/kN

-3m 263.8275 279.9512 -2.5m 268.5994 284.6635 -2.3m 267.3949 283.3841 -1.5m

289.8082

305.6878

当船舶处于空载、速度为12节时，-1.5、-2.3、-2.5、-3m 四种吃水差时在两相流中的阻力与在单相流中的阻力的变化趋势基本相同，从大体来看，随着吃水差绝对值的增加，其阻力在减小，当船舶的吃水差为-3m 时，其阻力最小，相比于吃水差为-1.5m 时，在单相流中的阻力与两相流中的阻力分别减小了8.96%、8.41%。

当“育明”轮处于空载、速度为6节时，分别计算吃水差在-3、-2.5、-2.3m 和-1.5m 四种状态时在单相流中的阻力和在两相流中的阻力，如表4所示。