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明日之舟：誕生于數(shù)據(jù)的海洋
為了節(jié)省燃料，條例要求船舶在未來(lái)大幅提高能源效率。借助于前沿的流動(dòng)模擬軟件，西門子正在幫助船舶制造商實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

說(shuō)到夏日航行，人們會(huì)想到陽(yáng)光、藍(lán)天和愜意的海風(fēng)。但是他們常常忘記，目前正在運(yùn)行的約7萬(wàn)艘商用船和游輪正在消耗重質(zhì)燃油，加劇著的空氣污染。此外，許多船只效率不高，需要消耗較多不潔燃料。因此，總部設(shè)于倫敦的海事組織根據(jù)現(xiàn)行規(guī)定提出要求，2025年起建造的新船必須比2014年之前建造的船只能源效率提高至少30%。

如何在短短幾年內(nèi)將船舶的燃料消耗減少近1/3？諾伯特·布爾登（Norbert Bulten）深諳其道。“船舶的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用，尤其是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、螺旋槳、傳動(dòng)裝置，以及圍繞船舵和螺旋槳的水流。”他解釋道。布爾登是船用技術(shù)企業(yè)瓦錫蘭集團(tuán)（Wärtsilä）的產(chǎn)品性能經(jīng)理，在過(guò)去的20年中一直致力于優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從一開始，他便運(yùn)用計(jì)算機(jī)以及西門子的軟件進(jìn)行流量計(jì)算。這種計(jì)算被稱為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CFD能夠確定船舶的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否能在船體周圍形成良好水流，是否存在阻力，以及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力是否有效轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力?，F(xiàn)在瓦錫蘭用于CFD的軟件平臺(tái)是來(lái)自西門子的Simcenter STAR-CCM+。



螺旋槳的設(shè)計(jì)借助了西門子NX平臺(tái)上的CAD程序。之后，計(jì)算機(jī)使用流動(dòng)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中提高船只能源效率。




起初的保守態(tài)度
布爾頓介紹道，僅在20年前，航運(yùn)公司還對(duì)CFD缺乏信心。“幾十年來(lái)，我們行業(yè)的公司一直依賴于在水槽中進(jìn)行測(cè)試。船模在水中拖動(dòng)行進(jìn)，以此測(cè)試船舶設(shè)計(jì)的好壞。”起初，布爾頓和他的團(tuán)隊(duì)只對(duì)單獨(dú)部件進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)算，例如螺旋槳及其周圍環(huán)境。不過(guò)，他已經(jīng)多次證明，CFD在測(cè)試階段也可以做出很大貢獻(xiàn)。例如，對(duì)于那些還在建造中就已顯示出流動(dòng)阻力增長(zhǎng)的船只，它可以對(duì)其進(jìn)行改善。利用CFD技術(shù)，只需對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，并且當(dāng)船只還在干船塢時(shí)就對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的再焊接。僅幾天的調(diào)試工作就可使船只達(dá)到完備狀態(tài)。“盡管如此，這些公司很長(zhǎng)一段時(shí)間仍然對(duì)CFD持保留意見。”Bulten說(shuō)道。不過(guò)，情況迅速發(fā)生了改變。如今，CFD已經(jīng)被用于按照實(shí)際比例對(duì)船舶進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。“僅需一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就可以再現(xiàn)一艘大船在水中運(yùn)行的真實(shí)表現(xiàn)。這讓我們能夠全面了解流量特性。”其中，螺旋槳的設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵作用。“與汽車制造不同，每艘船的*性要求我們必須為它定制開發(fā)優(yōu)化的螺旋槳。設(shè)計(jì)這種螺旋槳是一門藝術(shù)。”螺旋槳是借助西門子NX平臺(tái)上的CAD程序設(shè)計(jì)而成。接著，計(jì)算機(jī)使用CAD在設(shè)計(jì)中提升船舶的能源效率。



來(lái)自馬士基集團(tuán)的“艾瑪·馬士基號(hào)”：2006年下水時(shí)，這艘400米的巨輪是有史以來(lái)大的集裝箱船。它的瓦錫蘭發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上強(qiáng)大的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)之一。



船舶技術(shù)專家：來(lái)自美國(guó)瓦錫蘭公司的諾伯特·布爾頓。



來(lái)自芬蘭渡輪公司維京游輪（Viking Line）的“Viking Grace號(hào)”客輪。



“Viking Grace號(hào)”客輪發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部的瓦錫蘭發(fā)動(dòng)機(jī)。

這種個(gè)性化的計(jì)算程序?qū)τ诖暗母脑焱瑯泳哂袃r(jià)值。受到2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，航運(yùn)行業(yè)開始采取降低大型集裝箱船運(yùn)行速度的方法來(lái)節(jié)省燃油。他們將速度從之前的28海里/小時(shí)降低到20海里/小時(shí)。然而，在低速運(yùn)行時(shí)，配備有六個(gè)槳葉和巨大表面的傳統(tǒng)螺旋槳效率較低。“我們終說(shuō)服了船舶運(yùn)營(yíng)商使用裝配有四個(gè)槳葉和較小表面的新型窄螺旋槳，同時(shí)使用CFD來(lái)調(diào)整每艘船的螺旋槳設(shè)計(jì)。日積月累，這種改造使船廠能夠在幾年內(nèi)節(jié)省大量燃料。”布爾頓說(shuō)。

可觀的可靠性

近幾年來(lái)，布爾頓成績(jī)斐然，這要?dú)w功于他計(jì)算真實(shí)尺寸船舶效率的能力。布爾頓的一個(gè)客戶近訂購(gòu)了一艘航速超過(guò)13海里/小時(shí)的輪船。水槽中的模型試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)該船的設(shè)計(jì)將不能達(dá)到期望的航速，而在Simcenter STAR-CCM+上運(yùn)行的CFD程序結(jié)果則表明可以實(shí)現(xiàn)。終，客戶決定根據(jù)初始設(shè)計(jì)建造該船。事實(shí)證明布爾頓是正確的。在2018年初的一次試航中，這艘船輕松實(shí)現(xiàn)了13海里/小時(shí)的速度。“這向我們和許多行業(yè)專家證明了如今CFD至少與水箱中的測(cè)試一樣有效。”布爾頓說(shuō)道。

盡管CFD相比水箱測(cè)試擁有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，但他們有一個(gè)共同點(diǎn)：船只仍然需要在真實(shí)條件下進(jìn)一步測(cè)試。的確，兩種測(cè)試方式目前都是在平靜的水中以巡航速度進(jìn)行的。布爾頓希望使CFD計(jì)算更加動(dòng)態(tài)化。他說(shuō)：“在未來(lái)，我們希望為CFD程序提供真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)自海上船舶的實(shí)際操作，包括螺旋槳操作、湍流以及波浪的影響。為了達(dá)到這個(gè)目的，未來(lái)我們將在CFD程序中創(chuàng)建船只的‘數(shù)字化雙胞胎’，并在準(zhǔn)真實(shí)條件下通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。”鑒于這一前景，布爾頓相信CFD如今正處在一個(gè)新時(shí)代的開始。他說(shuō)：“在水箱中進(jìn)行測(cè)試可能會(huì)越來(lái)越多地被計(jì)算機(jī)中的測(cè)算所取代。”
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