综述：基于CFD的低碳航运方法：系统性综述

《Marine Pollution Bulletin》：CFD-based approaches for low-carbon shipping: A systematic review

　　•基于CFD的航运脱碳技术：本文系统梳理了其原理、进展与应用情况。•通过CFD优化，可降低3–12%的阻力，提升2–6%的效率，从而实现船体、推进系统及运营环节的脱碳目标。•当前的主要瓶颈包括多物理场耦合精度、全尺度可靠性以及验证标准化的难题。•文章提出将人工智能与CFD相结合，并利用数字孪生技术，作为实现适应性、全场景船舶性能模拟的关键路径。•同时为基于CFD的航运业低碳转型提供了战略规划路线图。

引言
海上运输支撑着全球80%以上的货物运输量（联合国贸易和发展会议，2024年），对全球经济和贸易发展起到了重要作用，但同时也带来了复杂的排放问题与挑战。数据显示，航运行业每年排放的温室气体超过10亿吨，其二氧化碳排放量占全球人类活动总排放量的近3%（Fan等人，2022b），在所有交通领域中占比最高，这严重威胁到了国际海事组织设定的净零排放目标。若不采取针对性措施，到2050年其排放量可能上升50–250%（Sardar等人，2025年）。为应对这一风险，国际海事组织出台了多项严格的监管措施，包括能效设计指数、现有船舶能效指数、碳强度指标以及船舶能效管理计划等；此外，欧盟排放交易体系及“燃料欧盟海事”计划等区域政策进一步收紧了排放限制，推动该行业从依赖经验的设计方式向基于数据的低碳技术路径转变（Zhou等人，2025年）。市场因素也加剧了这一趋势：燃油成本占船舶运营成本的60%以上（联合国气候变化框架公约，2022年），而符合环保标准的船舶能够获得更高的资产估值和更低的融资成本，这得益于日益完善的绿色金融机制（Ma等人，2025年）。因此，人们开始寻求各种技术来降低船体阻力，这些技术包括：（1）减少表面阻力（An等人，2025年；Wei等人，2024年）；（2）高效推进系统及风力辅助推进技术（Gaggero，2025年；Persson等人，2024年）；（3）船舶发动机燃烧优化技术（Han等人，2025年）；（4）运营管理优化，如航行姿态、速度及航线优化（Cheng等人，2025年；Omholt-Jensen等人，2025年）。计算流体动力学作为一种核心数值工具，能够实现高精度的流体流动及多物理场耦合模拟，弥补了传统经验方法（仅适用于简单工况）和机器学习方法（缺乏物理可解释性）的不足，从而实现从设计到运营的全链条能效优化。图1展示了CFD所支持的多元化船舶减排体系，涵盖了船体设计、推进系统及运营管理等多个方面。CFD在海洋工程领域已发展40多年，目前有成熟的商业软件（NUMECA FINE/MARINE、ShipFlow、StarCCM+）和开源平台（OpenFOAM）可供使用（Kramer和Steen，2022年；Zhai等人，2026年），并且已经通过行业基准测试得到了验证。国际上，包括国际拖船水池会议的建议以及国际标准化组织的标准，都为CFD模拟的验证设立了相应标准，为工程应用奠定了坚实基础（Wang等人，2025年；K. Yang等人，2025年；Shaw和Lin，2021年）。

现有关于CFD在航运脱碳中的应用的研究较为零散，要么只关注某一特定领域，要么忽视了一些尚未得到充分研究的方面，如风力辅助推进的空气动力学、发动机排放建模以及多种技术的系统集成。本文旨在填补这一空白，主要贡献包括三方面：（1）系统分析基于CFD的多元化低碳技术在控制船舶碳排放方面的应用；（2）总结CFD在低碳领域的研究进展，分析多物理场耦合精度存在的问题，并为智能模拟及零碳技术研究提出建议；（3）为船体动力配置设计及运营能效优化提供指导，推动低碳技术的应用与行业发展。本文采用“设计-动力-运营”的结构，将CFD流场模拟与不同阶段的能效提升相联系，同时也将学术研究与工业应用紧密结合。

本研究遵循PRISMA指南进行了系统性文献检索，检索范围涵盖2010年至2026年的Web of Science核心合集中的SCI-EXPANDED、SSCI和CPCI-S数据库。为确保全面覆盖，检索工作分多个主题批次进行。针对船体与推进系统相关主题，通过在主题字段中组合使用CFD、船体优化、阻力降低、螺旋桨及节能装置等关键词进行检索；对于风力辅助推进相关内容，则结合CFD与风力辅助船舶、帆、弗莱特纳转子及风筝推进等关键词进行搜索；而针对发动机与运营管理相关主题，则将CFD与船舶发动机、替代燃料、排放降低、速度优化及姿态优化等关键词结合使用。所有检索结果仅限于英文期刊文章和会议论文。只有那些以CFD方法作为主要分析工具、涉及船舶能效提升或排放降低且与脱碳目标有明确关联、同时还能提供定量性能数据的研究才会被纳入考虑范围。那些未将CFD作为主要分析方法、与能效或脱碳目标无直接关联，或是全文无法获取的研究则被排除在外。

筛选工作由两名独立评审员分三个阶段进行，若出现意见分歧，则通过讨论解决。通过数据库检索共找到420条记录，去除15条重复记录后，剩余405条记录经过标题和摘要筛选，其中146条因不符合主题相关性或CFD应用标准而被排除。随后对剩余259条记录的完整文本进行了进一步评估，又有67条被排除：5条无法获取全文，另外62条因缺乏与碳排放相关的研究、方法学不够严谨或研究对象并非商用船舶而被剔除。最终共有192篇研究被纳入本次综述。筛选流程如图2所示。

章节节选
基于CFD的船体形态优化与减排效果分析
船体阻力是船舶航行过程中影响燃油消耗和碳排放的重要因素。船体形态优化是突破阻力瓶颈的关键技术途径，包括船首形状、船尾结构以及整体船体线型的优化。如图3所示，通过对船首、船尾及整体船体线型的精准优化，可以系统地降低波浪阻力、摩擦阻力以及粘性压力阻力，从而显著降低碳排放。

基于CFD的船舶表面阻力降低技术
虽然船体优化为提升能效奠定了基础，但宏观层面的形状优化无法完全消除船体表面的摩擦阻力。因此，表面阻力降低技术显得尤为重要。CFD可通过分析船体边界层流动特性及表面剪应力分布，为减阻涂层、空气层减阻技术以及仿生表面技术提供数字化模拟平台，进而揭示材料特性与阻力降低之间的内在机制。

基于CFD的船舶主推进器及节能装置优化
在通过表面阻力降低技术降低了船体阻力之后，人们的注意力自然会转向推进系统。由于推进器本身产生的阻力及其带来的能量损失，在整个推进功率中占据了相当大的比例。CFD能够提供完整的运行条件模拟平台，通过精确的复杂流场模拟以及推力/扭矩/空化现象的定量分析，助力推进系统的优化设计（国际海事组织，2018年）。

研究重点在于流场特性分析……

基于CFD的船舶风力辅助推进系统优化
推进系统优化虽可降低传统能源消耗，但船舶仍依赖化石燃料。风力辅助推进作为一种重要的可再生能源利用技术，可直接替代部分传统动力，进一步降低碳排放（Mason等人，2023年）。国际海事组织已将这项技术纳入能效设计指数评估体系，为其研发与应用奠定了基础。相关研究主要聚焦于翼型帆、旋翼帆以及复合型推进装置的性能提升，通过流体动力学原理来实现优化。

基于CFD的船舶发动机排放降低技术
在第五节提到的风力辅助推进技术基础上，船舶主机在中低负荷下的适应性运行，为燃烧优化及双燃料改造等排放降低技术提供了有利条件。船舶发动机的研发对于实现航运业的深度脱碳至关重要，其中燃烧优化与燃料创新是两大关键方向。结合中国船舶排放控制区的实施情况……

基于CFD的船舶运营管理优化
虽然船体、推进系统及发动机优化为船舶能效提升奠定了基础，但复杂的海况及装载条件会影响船舶在实际航行中的性能表现。运营管理优化则通过实时调整船舶的姿态角度、速度及航线，将设备层面的优化成果落到实处。基于CFD的多场耦合模拟能够分析船舶在不同姿态条件下的流场特性，再结合智能算法，进一步优化船舶的运营策略。

讨论
在基于CFD的船体形态优化与减排效果分析、船舶表面阻力降低技术、船舶主推进器及节能装置优化、船舶风力辅助推进系统优化、船舶发动机排放降低技术以及船舶运营管理优化这六个方面所报告的技术成果，分别通过三种不同的途径助力二氧化碳减排，每种途径都在各自的层面发挥作用……

结论
本文首次对用于船舶脱碳的CFD技术方法进行了全面而系统的分析，涵盖了船体设计、表面阻力降低、推进系统、风力辅助推进、发动机技术以及运营优化等多个技术领域。通过研究，得出以下结论：
（1）CFD为实现全链条能效优化提供了有力支持……

作者贡献说明
马兰奇：撰写——综述与编辑、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法论设计、资金获取、正式分析、数据整理、概念构建。唐志强：撰写——初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、方法论设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构建。赵浩阳：监督、方法论设计、数据整理。赵俊豪：监督、软件使用、概念构建。张瑞：可视化处理、监督。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了辽宁省科技计划联合项目（自然科学基金——一般项目，编号2025-MSLH-077）以及中国国家重点研发计划（编号2022YFB4300805）的支持。

马兰奇|唐志强|赵浩阳|赵俊豪|张瑞|王壮|曹建林|谢宇豪|黄连忠