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明日之舟：诞生于数据的海洋
为了节省燃料，条例要求船舶在未来大幅提高能源效率。借助于前沿的流动模拟软件，西门子正在帮助船舶制造商实现这一目标。

说到夏日航行，人们会想到阳光、蓝天和惬意的海风。但是他们常常忘记，目前正在运行的约7万艘商用船和游轮正在消耗重质燃油，加剧着的空气污染。此外，许多船只效率不高，需要消耗较多不洁燃料。因此，总部设于伦敦的海事组织根据现行规定提出要求，2025年起建造的新船必须比2014年之前建造的船只能源效率提高至少30%。

如何在短短几年内将船舶的燃料消耗减少近1/3？诺伯特·布尔登（Norbert Bulten）深谙其道。“船舶的设计起着至关重要的作用，尤其是驱动系统、螺旋桨、传动装置，以及围绕船舵和螺旋桨的水流。”他解释道。布尔登是船用技术企业瓦锡兰集团（Wärtsilä）的产品性能经理，在过去的20年中一直致力于优化驱动系统的设计。从一开始，他便运用计算机以及西门子的软件进行流量计算。这种计算被称为计算流体动力学（CFD）。简单来说，CFD能够确定船舶的驱动系统是否能在船体周围形成良好水流，是否存在阻力，以及发动机动力是否有效转化为推进力。现在瓦锡兰用于CFD的软件平台是来自西门子的Simcenter STAR-CCM+。



螺旋桨的设计借助了西门子NX平台上的CAD程序。之后，计算机使用流动模拟技术实现在设计过程中提高船只能源效率。




起初的保守态度
布尔顿介绍道，仅在20年前，航运公司还对CFD缺乏信心。“几十年来，我们行业的公司一直依赖于在水槽中进行测试。船模在水中拖动行进，以此测试船舶设计的好坏。”起初，布尔顿和他的团队只对单独部件进行数据测算，例如螺旋桨及其周围环境。不过，他已经多次证明，CFD在测试阶段也可以做出很大贡献。例如，对于那些还在建造中就已显示出流动阻力增长的船只，它可以对其进行改善。利用CFD技术，只需对设计进行细微调整，并且当船只还在干船坞时就对其进行相应的再焊接。仅几天的调试工作就可使船只达到完备状态。“尽管如此，这些公司很长一段时间仍然对CFD持保留意见。”Bulten说道。不过，情况迅速发生了改变。如今，CFD已经被用于按照实际比例对船舶进行整体设计。“仅需一台计算机，就可以再现一艘大船在水中运行的真实表现。这让我们能够全面了解流量特性。”其中，螺旋桨的设计起着关键作用。“与汽车制造不同，每艘船的性要求我们必须为它定制开发优化的螺旋桨。设计这种螺旋桨是一门艺术。”螺旋桨是借助西门子NX平台上的CAD程序设计而成。接着，计算机使用CAD在设计中提升船舶的能源效率。



来自马士基集团的“艾玛·马士基号”：2006年下水时，这艘400米的巨轮是有史以来大的集装箱船。它的瓦锡兰发动机是世界上强大的往复式发动机之一。



船舶技术专家：来自美国瓦锡兰公司的诺伯特·布尔顿。



来自芬兰渡轮公司维京游轮（Viking Line）的“Viking Grace号”客轮。



“Viking Grace号”客轮发动机舱内部的瓦锡兰发动机。

这种个性化的计算程序对于船舶的改造同样具有价值。受到2008年经济危机的影响，航运行业开始采取降低大型集装箱船运行速度的方法来节省燃油。他们将速度从之前的28海里/小时降低到20海里/小时。然而，在低速运行时，配备有六个桨叶和巨大表面的传统螺旋桨效率较低。“我们终说服了船舶运营商使用装配有四个桨叶和较小表面的新型窄螺旋桨，同时使用CFD来调整每艘船的螺旋桨设计。日积月累，这种改造使船厂能够在几年内节省大量燃料。”布尔顿说。

可观的可靠性

近几年来，布尔顿成绩斐然，这要归功于他计算真实尺寸船舶效率的能力。布尔顿的一个客户近订购了一艘航速超过13海里/小时的轮船。水槽中的模型试验结果预测该船的设计将不能达到期望的航速，而在Simcenter STAR-CCM+上运行的CFD程序结果则表明可以实现。终，客户决定根据初始设计建造该船。事实证明布尔顿是正确的。在2018年初的一次试航中，这艘船轻松实现了13海里/小时的速度。“这向我们和许多行业专家证明了如今CFD至少与水箱中的测试一样有效。”布尔顿说道。

尽管CFD相比水箱测试拥有多项优势，但他们有一个共同点：船只仍然需要在真实条件下进一步测试。的确，两种测试方式目前都是在平静的水中以巡航速度进行的。布尔顿希望使CFD计算更加动态化。他说：“在未来，我们希望为CFD程序提供真实测量数据，这些数据来自海上船舶的实际操作，包括螺旋桨操作、湍流以及波浪的影响。为了达到这个目的，未来我们将在CFD程序中创建船只的‘数字化双胞胎’，并在准真实条件下通过计算机进行测试，以便优化设计效率。”鉴于这一前景，布尔顿相信CFD如今正处在一个新时代的开始。他说：“在水箱中进行测试可能会越来越多地被计算机中的测算所取代。”
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