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随着集装箱船大型化发展，为满足国际海事组织（IMO）碳排放法规，降低船舶阻力至关重要。研究人员开展基于计算流体动力学（CFD）的新型减阻附体设计研究，得到两种附体可分别减阻 9.47% 和 9.22% 的结果，为减少燃油消耗和排放提供新途径。
在全球贸易蓬勃发展的当下，集装箱船作为海上运输的主力军，其规模不断扩大。从 1996 年的 6000 标准箱（TEU）到 2021 年超过 24000 标准箱，集装箱船变得越来越庞大。然而，这也带来了一系列问题。一方面，船舶在航行过程中受到的阻力增大，尤其是风阻，在大型集装箱船总阻力中的占比从原本的 2 - 10% 逐渐上升，对船舶的运营效率产生了显著影响。另一方面，国际海事组织（IMO）出台了诸如能源效率现有船舶指数（EEXI）和碳强度指标（CII）等严格的碳排放法规，这使得优化船舶燃料消耗、降低阻力成为船舶设计和运营领域亟待解决的关键问题。传统的船舶阻力优化主要集中在降低水动力阻力上，对风阻的研究相对较少，且现有针对风阻的优化方案存在诸多不足，如传统的船舶空气动力学优化常针对船头区域进行不切实际的修改，而对船尾的尾流区域（产生压力阻力的重要来源）研究较少，同时现有解决方案还缺乏可改装性和成本效益。在这样的背景下，开展针对集装箱船风阻优化的研究显得尤为必要。
为了解决这些问题，研究人员开展了基于计算流体动力学（CFD）的新型减阻附体设计研究。虽然文中未提及具体研究机构，但他们的研究成果发表在《Applied Ocean Research》上，具有重要的学术价值和实践意义。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：
首先是雷诺平均纳维 - 斯托克斯方程（RANS），该方程是计算流体动力学中的重要方法，常用于预测集装箱船的空气动力载荷。研究人员采用可实现的 k - ε 湍流模型，这一模型适用于高雷诺数流动，能够较好地模拟船舶周围的流体流动情况。其次是数值模拟，研究人员以 Andersen 在 2013 年的风洞实验数据为参考，构建并验证了数值模型。在模拟过程中，对计算域、边界条件、湍流参数等进行了精确设定，如计算域为长方体，边界条件根据风洞实验进行设置，通过实验数据确定入口湍流规范等。最后是参数化研究，针对筛选出的两种附体设计，研究人员对附体的长度、角度、位置等关键几何变量进行参数化扫描，通过模拟大量的配置来优化附体设计，以实现最大程度的减阻效果。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 模型验证与不确定性分析：研究人员构建的 RANS CFD 模型经过验证，其计算得到的正面阻力结果与风洞实验结果偏差在 2% 以内，这表明模型具有较高的准确性。同时，通过不确定性分析，估计出数值模拟的不确定性小于 1%，为后续研究提供了可靠的模型基础。
- 附体设计与减阻效果：研究人员设计了一系列简单的矩形附体，最初的 10 个概念附体模型模拟结果显示，概念 6 和 10 减阻效果最佳。对这两个概念进一步进行参数化研究后得到优化附体 A 和 B，附体 A 在长度为 0.0225m、角度为 - 16°、x 位置为 0、z 位置为 0 时，减阻率可达 9.47%；附体 B 在长度为 0.034m、角度为 35°、x 位置为 0.01m 时，减阻率为 9.22%。
- 减阻机制分析：附体 A 通过密封集装箱堆和居住舱室之间的间隙，防止垂直气流，在附体下方和居住舱室底部周围形成停滞流动区域，增加该区域压力，减少作用在集装箱堆上的向内气流，从而降低集装箱堆前表面的压力，减少压力阻力。附体 B 则通过阻止气流进入船内并冲击集装箱堆前表面，最小化角流，完全屏蔽集装箱堆前表面，大幅降低其表面压力，减少阻力。虽然附体 B 会使居住舱室后表面压力降低，在一定程度上抵消部分减阻效果，但总体仍能有效减阻。此外，两种附体都对集装箱堆表面的壁面剪应力产生影响，不过减阻主要由压力主导。
研究结论和讨论部分表明，该研究成功设计并分析了一系列新型集装箱船减阻附体，为船舶减阻提供了新的思路和方法。与其他现有减阻方法相比，这些附体在不限制载货量且无需大规模结构修改的情况下，实现了较高的减阻效果，具有简单实用的优势，特别是附体 B 不直接与集装箱堆相互作用，避免了干扰集装箱装卸。然而，研究也存在一些局限性，如附体形状简单、仅考虑了固定吃水和顺风条件、未充分考虑现实中集装箱堆放的变化、采用半体模拟存在尺度效应以及 k - ε 模型在附体所在区域的适用性有待进一步研究等。尽管如此，该研究为后续进一步探索更复杂、优化的附体几何形状，评估附体在不同风向角下的性能以及对侧向阻力的影响，研究附体在各种集装箱布置下的有效性等提供了重要的基础，对推动可持续航运发展具有重要意义。
