船舶行业创新设备的领先开发者，使用 STAR-CCM+ 开发节能型 Becker Mewis Duct

节能设备有助于满足船舶业需求

造船厂及运营商面临的一个最大问题就是能源效率。船舶行业的公司希望在降低船舶运营成本的同时，能够符合二氧化碳 (CO2) 和氮氧化物 (NOx) 排放法规的要求。虽然通过采用现代流线型船体设计高效引导船舶周围的水流并导向螺旋桨可以实现燃油节约，但此方案主要适用于新船设计。 全球大部分商业贸易运输都是通过较旧的船舶完成，这些船舶在设计时并未利用计算流体力学 (CFD) 工具和先进的设计探索技术。

为协助满足燃油经济性和排放标准目标，各公司经常对其老式船舶进行改造以安装定制的节能设备 (ESD)。通常这些设备都是放置在螺旋浆附近的固定导流设备，一般位于螺旋桨前方紧贴船身，或者位于螺旋浆后方固定到方向舵或螺旋桨自身上。即使在更新的船体设计上，ESD 也展现出提高推进性能的巨大潜力。

要了解造船厂可能取得的燃油节约率， 以载重吨位 (DWT) 为 55,000 吨的船舶为例，在常规巡航速度下行驶时，每天将消耗 160 吨燃油。一年下来，燃油消耗改善 5% 即意味着节约超过 2,000 吨燃油，即节省 500,000 美元的成本， 因此船舶公司急于采取能够提高能源效率的举措，其目的不言而喻。

船舶流体动力学效率不断提升

目前运行的最成功的 ESD 之一便是 Becker Mewis Duct® 节能装置，该装置最初是为全尺寸低速船只开发。Becker Mewis Duct 由 Becker Marine Systems GmbH & Co. KG (Becker Marine) 分销，在指定速度下具有显著的节油效果；换句话说，它可以让船舶在给定功率级别下行驶得更快。

乍一看，Becker Mewis Duct 就像是由 一根导管构成的简单装置，这根导管包含多个呈一定角度的集成式翅片。 它既可以产生向前的净推力，又可以将船体的尾流拉直并加速导向螺旋 桨。翅片系统可以引起尾流预旋以减少螺旋桨冲流的损失，从而在指定推进力功率级别下提高螺旋桨推力。这些作用彼此相互促进。

为正确运转并改进尾流，必须专门针对每个新的船体外形导管部分的性能以及每个翅片的方向和设计进行优化。Becker Mewis Duct 可以驾驭船体摩擦边界层包含的能量，并利用这种能量提高船舶的整体流体动力学效率。

潜在的功率节约很大程度上取决于船体分段系数和螺旋浆的推力负载。功 率节约量通常介于多用途船只的 3% 到油轮和散装船的 8% 之间。平均燃油节约量在 5% 到 6% 之间，如果导管配合 Becker 方向舵（一种带有翻转板的铲式方向舵）一起使用，则可节约高达 8% 的燃油。这些燃油和功率节约与船只的吃水和速度无关。此外，借助 ESD，还可以减少 NOx 和 CO2 排放量。

使用 STAR-CCM+ 设计 Becker Mewis Duct

作为 Becker Marine 的全资子公 司，IBMV Maritime Innovationsgesellschaft mbH (IBMV) 负责针对船舶市场开发、设计和推出创新技术解决方案。IBMV 的 CFD 和研发部主管 Steve Leonard 领导的团队开发了第一个 Becker Mewis Duct。 该团队在此项目中使用了产品生命周 期管理 (PLM) 专家 Siemens PLM Software 的 STAR-CCM+® 软件进行 CFD 开发。

使用 STAR-CCM+ 令 IBMV 开发团队可以快速发现更好的设计。首款 Becker Mewis Duct 已于 2008 年推向市场， 并于 2009 年 9 月在挪威卑尔根 Grieg Shipping Group 的多用途散货船 Star Istind 上完成了首次全尺寸安装。该船的预计节能率为 6% 左右。

“Becker Mewis Duct 的成功离不开我们用于定义其导管的 STAR-CCM+ CFD 过程，”Leonard 表示。“没有精确的 CFD 仿真，我们就无法根据特定船体特有的流体情况微调每个导管。对于每种场景，我们都会使用 STAR CCM+ 仔细调整 40 多个设计参数以创建独一 无二的导管。尽管有相似之处，但我们为每艘船设计的导管绝对是独一无 二的。没有任何两个导管完全一样。”

Leonard 的团队不仅要实现他们保证的能量节约，还必须遵守严格的时间进度表。“从接到新订单的那一刻起， 我们通常有六周时间来找到需要节约能源的环节，”Leonard 解释道。“这是 一个需要严格遵循的时间表，因为船模试验池要提前保留且不能移动。如果我们无法在给定期限内改进特定船舶的能源效率，那基本上就算失败 了。没有第二次机会可言。”

船舶行业往往是保守的，对大多数造 船合同而言，自推进测试仍是证明船 舶动力性能的基准。很少有客户能够意识到设计和修改其特定 Becker Mewis Duct 所做的大量 CFD 工作， 因为他们关注的是模型测试时燃油节约所呈现的最终结果。CFD 与船模试验池预测之间的任何变化，都要使用 额外的 CFD 计算进行彻底研究。

绝大多数 CFD 计算都是在模型范围内进行的。为验证缩放效应没有造成显著影响，同时确保良好的空化性能，IBMV 团队会执行一系列最终全面计算。该问题似乎非常适合自动优化过程，这种过程通过计算机算法（而 非人类）根据上一迭代的参数探索来选择下一个设计配置。然而，Becker Mewis Duct 并不适合采用自动设计探索，因为几乎不可能将导管周围的流体减少到可用于完全定义下一设计迭代的少数几个数字参数。

相反，一群经验丰富的造船工程师和流体动力学专家会对每次 STAR-CCM+ 仿真过程结束时自动生成的所有数据进行过目检查。通过使用 STAR-CCM+ 仿真数据，该团队能够确定通过导管、翅片和螺旋桨的逆流特征，并且为下一个设计迭代提出更正措施建 议。

IBMV 团队处理过数以百计的 ESD 导管并运用其知识和专业技能定义最初设计，以便为未来改进打下坚实基 础，因而能够在大约 10 个设计迭代内获得最佳节能率。设计良好的船体可以减少尾流中的能量浪费，因此通过 ESD 节约大量燃油的几率微乎其微。Leonard 深情地回忆起团队独立完成的一次性导管设计，该初始设计迭代实现了所需的能量节约。事实上，这是 IBMV 流程的胜利，因为在选择该特定导管的参数时，初始设计是由工程师利用之前数百次导管设计研究中总结的知识配置而成的。

结论

IBMV 交付了 1,000 多个 Becker Mewis Duct，清晰呈现了工程仿真（特别是 CFD）在船舶设计过程中的价值。而利用 CFD 则能帮助公司做出更周全的决策，同时还能提供持续不断的数据流，借此帮助造船厂改进实际的船舶性能。

没有经验丰富的工程师利用 STARCCM+ 推动密集的设计探索，Becker Marine 就无法在严格遵循时间表的同时交付性能可靠、经过精心调整的节能设备。通过使用 Becker Mewis Duct，客户可以节约数百万美元的燃 油。在运输行业中，从整体来看 ESD 对减少有害的 CO2 和 NOx 排放也起到 了巨大的作用。例如，当为载重量 57,000 吨的散货船 AS Valeria 开发 Becker Mewis Duct 时，IBMV 团队使用 STAR-CCM+ 仿真功能预测能节约百分之五的燃油，在海试中这一点已得到确认，同时他们进一步利用 CFD 功能帮助将每年的 CO2 排放减少 1,002 吨。

Becker Marine 对其导管信心十足，并且准备好对在模型测试期间未达到商定节油目标的任何设备提供全额退款。凭借这样的性能保证，大部分船东都会发现投资 Becker Mewis Duct 将是一项低风险决策，因为通常在安装 Becker Mewis Duct 后的头一年便可实现投资回报 (ROI)，该投资也显著低于建造一艘新的经济型船舶的费用。