0 引　言

随着经济全球化的日益加深，国际航运业也进入了蓬勃发展时期，而作为最主要的航运工具的船舶也在世界经济的发展当中扮演着越来越重要的角色。统计数据显示，船舶运输占世界货物运输的90%以上。然而，船舶是高能耗的运输工具，消耗大量的能源，在油价居高不下的当下，燃油成本占船舶航运运营总成本的50%以上。

进入21世纪，环境与能源问题日益严重，特别是全球气候变暖问题已引起全世界的广泛关注，节能减排已成为环保领域的重要举措。作为高耗能、高排放的行业，船舶运输自然成为了节能减排改革的重点领域。对此，国际海事组织(IMO)于2008年海事环境保护会议MEPC58次会议上提出了针对船舶排放标准的能效设计指数EEDI（Energy Efficiency Design Index）和能效运营指数EEOI(Energy Efficiency Organize Index)，对船舶的能效和碳排放量作出了严格的规定，要求新造船能耗须在2025年相对于基线下降30%^[1]。节能减排势在必行。

同时，近年来国际、国内航运市场一直处于相对低迷状态，降低船舶营运成本成为广大航运企业在当前市场状态下生存及发展的重要手段。而随着新造船舶能效水平的不断提高，在营运船舶在航运市场上的竞争力也逐渐下滑，因此提高在营运船舶能效水平已刻不容缓。

而与之相对应的，研究和应用船舶节能技术，降低船舶能耗，不仅可以为航运企业节省燃油费用，降低营运成本，同时还可以减少船舶造成的环境污染，获得经济和环保的双重效益。因此，船舶节能技术的研究，不仅是船舶航运的客观需求，也是海洋环境保护及世界经济可持续发展的要求。

船舶节能涉及船型优化、螺旋桨优化、推进系统布置优化、配套设备优化、加装水动力节能装置等多方面的革新，以及替代能源、新能源技术的储备和应用^[1]。在众多节能措施中，通过在船尾加装水动力节能装置是最经济可行的方案之一，是当前研究和推广应用的一大热点。目前，市场重点关注和应用最广泛的节能装置主要有高效螺旋桨设计、前置预旋导轮和消涡鳍等，经大量实船应用检验均取得了良好的节能效果。

本文针对某沿海型在营运散货船进行了水动力节能装置设计评估，提出了前置预旋导轮、高效螺旋桨和桨毂消涡鳍相组合的综合水动力节能方案，并开展了实船应用效果分析。

1 船舶水动力节能装置设计评估方法

船舶水动力节能装置是指安装在船体尾部区域的，通过改善螺旋桨工作环境以提高螺旋桨推进效率或回收桨后流动能量来达到降低螺旋桨收到功率的节能目的的附体装置^[2]。

节能装置性能CFD评估方法，根据节能装置种类不同，可分为以下2种：

1）与螺旋桨一体安装的节能装置，如桨毂消涡鳍，可视作推进器的一部分，因此其性能评估时，可通过对比螺旋桨带与不带桨毂消涡鳍时的敞水效率得到其节能效果^[3]，并定义参数：

$ {{{K}}_{{{T}}{\text{δ}}}}= \frac{{{{K}}'_{{T}}}}{{{{{K}}_{{{T}}0}}}} , {{{K}}_{{Q}{\text{δ }}}} =\frac{{{{K}}_{{Q}}'}}{{{ K}_{{{Q0}}}}} ,{{{\eta }}_{\text{δ }}}= \frac{{{{{\eta }}'}}}{{{{\eta }}{}_{\text{0}}}} 。$

其中：K_T0, K_Q0, η₀分别表示螺旋桨加装常规桨帽时的推力系数、扭矩系数及敞水效率；而K_T', K_Q', η'则分别表示螺旋桨加装消涡鳍时的推力系数、扭矩系数及敞水效率。

2）安装于船体或舵上的节能装置，在对其进行节能效果评估时将其视作船舶附体的一部分。因此在节能效果评估时，需分别进行相同航速下加装与不加装节能装置时的船舶自航计算，并得到2种情况下的船舶水动力性能，然后以不加装节能装置的船体＋平舵＋螺旋桨的CFD数值计算得到的螺旋桨收到功率为基础，如果在相同航速下加装节能装置后的螺旋桨收到功率小于原型，则该装置具有节能效果^[4]。CFD评估主要流程如下：

1）带与不带节能装置时的船体阻力及流场计算分析；

2）带与不带节能装置时的船舶自航性能计算分析；

3）在设计航速下，通过改变螺旋桨转速进行一系列的船舶自航计算，并通过比较不同螺旋桨转速下的船体阻力和螺旋桨推力得到新的平衡点，进而得到船模自航点处的船体阻力、螺旋桨水动力和螺旋桨收到功率；

4）通过比较带与不带节能装置时的螺旋桨收到功率，从而得到节能装置的节能效果。

2 目标船水动力性能评估及水动力节能方案选型

目标船为一型万吨级沿海型散货船，其三维模型如图1所示。在对其进行水动力性能评估时，以设计航速V_S=12.0 kn和设计吃水T_D=7.95 m为计算条件，采用模型缩比λ=1：17.392，船模长度L_PP=7715.62 mm，螺旋桨直径D_P=244.50 mm，船模速度为1.48 m/s。

首先进行不带螺旋桨情况下的船体阻力计算，计算得到不带节能装置时的光船体阻力R₀=55.041 N，而螺旋桨盘面处的速度分布情况图2所示（图中流线表征切向速度分布，云图为轴向速度分布）。

由图2可知，其桨盘面位置处存在两对涡区。对于右旋桨而言，左盘面外半径的切向速度和右盘面内半径的切向速度与螺旋桨旋转方向相同，对提高螺旋桨效率是不利的。而在桨前加装预旋式水动力节能装置在改善螺旋桨进流条件的同时还能产生一定的预旋，并且从涡区域的大小来看，前置预旋导轮（Pre-Shrouded Vanes, PSV）对于提高螺旋桨的效率而言，其可发挥的空间（节能效果）较大。同时，目标船螺旋桨采用的是MAU桨，可换装高效螺旋桨（High Efficiency Propeller, HEP）方案提高螺旋桨推进效率，并在此基础上加装桨毂消涡鳍（Hub Vortex Absorbed Fins，HVAF），进一步回收桨毂后方的旋转能量损失^[5]。

3 水动力节能装置方案设计 3.1 高效螺旋桨及桨毂消涡鳍方案设计

在对目标船水动力性能评估分析的基础上，采用基于升力面理论的适伴流设计方法与CFD方法相结合的设计技术（设计流程见图4）进行了高效螺旋桨与桨毂消涡鳍方案的一体化设计^[6-7]。最终，高效螺旋桨及桨毂消涡鳍设计方案如表1及图5所示。

采用CFD方法对高效螺旋桨及桨毂消涡鳍设计方案进行敞水性能计算，与原设计桨（MAU桨）的敞水性能对比如图6所示，实船航速预报结果对比如表2所示。从图6及表2的结果可以看出，高效桨设计方案的节能效果约4.3%，而高效桨+消涡鳍的节能效果则可达到6%左右。

3.2 前置预旋导轮方案设计评估

根据目标船船尾线型特点及水动力性能评估结果，综合考虑导轮结构的合理性，应用CFD软件模拟加装导轮后船体的阻力和自航性能，以及螺旋桨抽吸作用下导轮与船体尾部的表面极限流线分布情况，对定子的安装角以及导轮的扩张角等进行优化评估，最终确定前置预旋导轮设计方案，如图7所示。

对加装与不加装前置预旋导轮方案进行阻力性能对比计算分析，结果如表3所示。可以看出，加装导轮后船舶总阻力（包含船体、舵、节能装置）与不加装导轮时的船舶总阻力基本相当，仅增加0.40%。

对加装与不加装前置预旋导轮方案进行自航状态的对比CFD计算分析，计算结果列于表4。从比较来看，加装前置预旋导轮方案后船舶收到功率降低了3.80%，可以认为前置预旋导轮方案的节能效果4%左右。

综合高效螺旋桨、桨毂消涡鳍及前置预旋导轮设计方案的评估结果，可以认为针对目标船设计得到的综合水动力节能方案的节能效果可达到10%左右。

4 水动力节能方案实船应用效果分析

在完成水动力节能装置方案设计的基础上，目标船进坞完成了螺旋桨换装、前置预旋导轮与桨毂消涡鳍的安装。

在完成水动力节能装置换装改造后，对其实船应用效果进行评估分析，并搜集目标船水动力节能改造前3个月及改造后6个月的实船营运数据。而实船应用效果分析需在相同航速下比较船舶的油耗，因此在计算出节能改造前后的平均航速/转速后，按油耗与航速/转速近似呈三次方关系，分别换算得到节能改造前后以相同航速航行和相同转速营运时的日均油耗，具体可见表5及表6。

1）满载航行时

相同航速（9.5 kn）下的日油耗由改造前的9.38 t下降至改造后的7.03 t，降幅达25%；相同转速（500 r/min）下的日油耗由改造前的9.92 t下降至改造后的8.42 t，降幅达15%。可见，所采用的水动力节能方案在满载状态下的节能效果非常显著。

2）空载航行时

相同航速（10 kn）下的日油耗由改造前的9.39 t下降至改造后的7.08 t，降幅达24.6%；相同转速（500 r/min）下的日油耗由改造前的11.02 t下降至改造后的8.43 t，降幅达23.5%。可见，所采用的水动力节能方案在空载状态下的节能效果也非常显著。

5 结　语

本文针对目标船开展了水动力性能评估及水动力节能装置方案设计，并对其进行了高效螺旋桨、前置预旋导轮和消涡鳍的综合水动力节能方案的实船改造安装。

CFD评估结果表明该水动力节能改造方案可提高整体推进效率约10%左右，即节能约10%。实船应用数据对比分析结果表明水动力节能改造方案的节能效果可达到15%～20%，比CFD预报的效果更佳，可能主要是由于污底清理、主机工况及航行姿态优化等原因。

在扣除以上原因所可能达到的节能效果，本文设计的综合水动力节能方案的节能效果仍可达到15%左右，超过了设计预期的节能效果。