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开发新型船舶节能技术和产品 促进我国绿色船舶科技进步——中船重工七〇二所绿色船舶高效节能推进系统集成应用技术研究团队
2019-08-02
开发新型船舶节能技术和产品、提升关键设备国产化率是我国从造船大国向造船强国转变的必由之路，以节能减排为目标的绿色船舶节能技术已成为船舶产业技术创新的新挑战。成立于2003年初的中国船舶重工集团公司第七〇二研究所绿色船舶高效节能推进系统集成应用技术研究团队，以肥大型船舶创型及数字化图谱研发、高效螺旋桨优化及系列化图谱研发、水动力节能装置研发和船舶能效设计指数（EEDI）验证评估技术研究为重点开展关键技术攻关、产品研发及市场应用推广工作，在提高我国船舶工业的自主创新能力、促进国防经济及国防建设、推动行业转型升级发展等方面发挥了重要作用。
绿色船舶高效节能推进系统集成应用技术研究团队现有成员50余人，团队带头人为周伟新研究员、唐登海研究员和黄国富研究员，是一支以中青年博士为主、具有较高学术水平和较大国内外影响力且素质优良、结构合理、充满活力、整体竞争力强的队伍。团队成立至今主持承担国家和地方科研项目百余项，获得国家科技进步奖二等奖1项、省部级科技进步奖近40项。出版专著1部，发表论文180余篇，其中SCI论文2篇；获授权发明专利4件（前置半导轮， ZL201310271844.5；桨毂消涡鳍 ，ZL201210386010.4等）；登记软件著作权20余项；参与制定推荐性国家标准3项。各项技术成果已广泛应用于船舶设计、建造、交船的各个阶段，有力地促进了我国绿色船舶科技的进步。值得一提的是，团队基于多年水动力节能技术的研发基础，于2015年孵化成立了中船重工（上海）节能技术发展有限公司（CMES-Tech），主要从事船舶节能装置、船舶推进系统节能工程的四技服务及节能产品研发设计与生产销售，致力于研发船舶节能新技术、转化节能新成果，提供节能减排系统一站式解决方案。该公司在我国船舶配套节能装置领域的市场占有率达到70%，并已经逐步进军国际市场。
1 突破新型船舶节能关键技术，取得一系列创新性研究成果
团队着重在肥大型船舶创型及数字化图谱研发、高效螺旋桨优化及系列化图谱研发、水动力节能装置研发和EEDI验证评估技术研究等4个方面进行技术攻关，构建了绿色船舶节能创型技术创新体系，从理论研究、试验方法、软件集成等多方面形成了绿色船舶节能创型的基础创新能力，形成了绿色船舶概念设计、高效节能螺旋桨优化设计、桨前/桨后/组合系列化水动力节能装置设计、船舶EEDI指标验证评估等能力，取得了一系列创新性研究成果，其中，螺旋桨设计预报系统软件（Prads）、超大型散货船和油船水动力性能预报优化技术研究、前置半导轮、桨毂消涡鳍、EEDI验证评估技术研究等5项标志性成果达到国际先进水平，有力地促进了我国绿色船舶技术自主创新能力及船舶工业市场竞争力的提升。
在肥大型船舶创型及数字化图谱研发方面，将非均匀有理B样条（NURBS）理论、船/桨/舵模型、计算机可视化技术、精细CFD（计算流体动力学）数值模拟和数字化船型组系有机融合，构建了智能化、具有人机交互设计功能的船舶型线优化设计开发系统，取得了以载重吨划分“船型组系”的新概念、超大型散货船和油船船型设计与水动力性能预报的数字化图谱、超大型散货船和油船船型设计与快速性/操纵性/耐波性的快速预报集成软件、船舶专用粘流求解器Oship、船舶线型设计系统等多项创新，达到国际先进水平。
以实现大型、超大型螺旋桨国产化为目标，建立了基于全三维精细化边界条件、粘势耦合、Eppler新剖面、精确尾涡模型和数字化系列图谱相融合的高效节能螺旋桨定量理论设计体系，并应用该体系对商船螺旋桨国产化进行了系统的参数化研究和成果转化应用，实现了大型/超大型船舶螺旋桨设计的国产化，打破了国外的技术垄断，国内市场占有率达到40%以上，大型与超大型船舶的螺旋桨性能达到了国际先进水平。
构建了集机理研究、设计方法、预报方法、试验验证和实船验证为一体的船舶水动力节能装置综合研究开发体系，建立了以CFD、模型试验、结构有限元等相结合的节能装置SBD（Simulation Based Design）设计技术，创新性地提出了船型/螺旋桨/舵/节能装置一体化综合水动力节能优化解决方案。最终形成了桨毂消涡鳍、前置半导轮、光芒型前置导轮等技术专利，以及消涡鳍、前置预旋导轮等水动力节能专利产品（前置半导轮，ZL201310271844.5），其中，消涡鳍类产品平均节能效果达3%以上，前置节能装置的节能效果可达5%以上。
创建了我国船舶能效 EEDI验证技术体系，建立了EEDI衡准基面方法、考虑瞬时水线面的船舶失速系数（fw）预报方法、EEDI基准航速数值/经验混合预报方法、基于雷达测波仪的海洋环境参数实时测量技术等创新性成果，形成了EEDI设计预验证和试航验证评估软件与平台、中国版fw计算导则，总体上达到国际先进水平。
2 技术成果应用于船舶设计制造各个阶段，有力地促进了我国绿色船舶科技的进步
团队的各项技术成果已广泛应用于船舶设计、建造、交船的各个阶段，有力地促进了我国绿色船舶科技的进步，有效提高了我国绿色船型及配套产品的自主创新能力，为我国船厂和船舶设计单位保市场、争订单、保障交船和履行合同提供了重要的技术保障，特别是自主研发的高效节能螺旋桨和系列化水动力节能装置，有效提高了我国高技术船舶配套的国际市场占有率，得到了国内外同行的高度赞许。
团队自主研发的消涡鳍和前置预旋导轮等节能装置产品，对推进行业发展和国防建设起到了很大的推动作用。消涡鳍已应用于我国军用舰船，可以明显改善其声隐身和快速性能，进而提高战斗力。同时，孵化的专业公司“中船重工（上海）节能技术发展有限公司”的相关产品已应用于700余艘商船，节能效果可达3%～12%。消涡鳍和前置预旋导轮入选了国家重点节能低碳技术推广目录、上海市创新产品推荐目录，并荣获交通运输低碳节能环保优秀推荐产品（技术）和“首届中国节能环保创新应用大赛”银奖。
2016年，我国承接建造的30艘40万吨超大型矿砂船（VLOC），占全国当年新造船市场订单的30%，在低迷船市下引发万众关注。团队历经两年攻关，研制的“高效螺旋桨+前置预旋导轮（CMES-PSV®）+消涡鳍（CMES-HVAF®）”尾部节能推进产品，以“安全、节能效果最优”成为唯一可行方案，击败国内外众多竞争对手，赢得全部订单，总合同额超过1亿元。2017年，又突破了产品设计、制造关键技术等难关，顺利完成北海、外高桥、招商、扬子江船厂首制船的节能装置安装。经首制船试航验证，综合性能完全达标，标志着相关成果在节能推进船配领域已达国际先进水平。
团队建立的高效螺旋桨设计技术体系，不仅实现了大型、超大型船舶螺旋桨的国产化，也有力促进了我国军用舰船螺旋桨自主设计能力的提高，对推进行业发展和国防建设发挥了巨大作用。其中，提出的考虑叶梢、桨毂载荷控制的螺旋桨最佳环量计算方法，完善了经典的螺旋桨最佳环量计算方法，推动了船舶螺旋桨理论体系的发展；建立的螺旋桨空泡激励力测试技术，已形成七〇二所企业标准，并应用于我国武器装备综合性能试验；建立的高效螺旋桨设计体系，实现了螺旋桨性能从均流敞水模拟到全船整流场模拟、从定常水动力模拟到非定常动态激励力模拟、从螺旋桨定性空泡性能模拟到定量仿真，从螺旋桨独立设计到船体艉部/螺旋桨/节能装置系统一体化设计，并已扩展成为海军武器装备螺旋桨设计技术，形成《水面舰艇螺旋桨设计计算方法》。
肥大型船舶设计技术体系成果，对推进行业发展和节能减排起到了重要的推动作用。其中，提出的以载重吨划分“船型组系”的新概念，为船型优化设计和性能预报提供了一种创新思路和方法；研发的超大型散货船和油船水动力性能预报数字化试验图谱，发展了我国肥大型船水动力性能实船预报技术；自主研发的船舶专用粘流求解器Oship，推动了我国船舶行业CFD技术的发展；研发的超大型油船和散货船水动力性能综合预报与优化设计软件系统，已应用于30余型新船的开发，形成了十余型EEDI降低30%以上、性能优异的品牌绿色船型。这些成果对提升我国绿色环保船型的自主设计能力起到了促进作用，同时，为相关企业赢得了百余条造船订单（订单额约百亿人民币）。
团队建立的新船EEDI和fw指标的定量评估与验证体系技术成果，对我国船舶节能减排绿色船舶规范标准的研究及绿色示范船型的开发设计起到了很大的推动和支撑作用。其中，在国际上率先建立的EEDI验证评估软件平台，创新性地集成了EEDI计算、fw计算、EEDI设计预验证和试航验证评估等方法和软件，为EEDI指标的数值评估和两步验证提供了可靠的方法和应用软件平台；自主建立的中国版fw计算导则，比日本版fw计算导则更合理、实用，为我国在国际节能减排立法方面争取了更多话语权；提出的EEDI衡准基面方法，比IMO制定的EEDI基线方法更科学合理。这些成果对于提高我国绿色船舶技术开发能力具有重要意义。
3 瞄准国际绿色船舶发展趋势，积极开展国内外技术交流
近年来，团队始终跟踪国际绿色船舶技术及其相关标准、规范的发展，多名成员曾担任或现任国际船模水池大会（ITTC）推进委员会委员和国际海事组织（IMO）的技术专家，通过撰写学术论文、向IMO提交提案等形式积极参与绿色船舶相关国际公约、标准、规范的制定。
团队与相关领域多个国际先进单位建立了友好关系，全方位开展技术交流、项目合作以及人员培训。参加了荷兰海事研究所（MARIN）发起的调距桨和导管调距桨设计及试验技术研究、测速试验及其数据分析方法规程制定等国际合作项目，并与MARIN在实船试验检测方面开展了多次项目合作；与挪威海事技术研究院（MARINTEK）开展技术服务合作，为其开发了螺旋桨CFD前处理软件PreFlup，进行了导管桨流场与空泡试验、拖曳水池工程船试验方面的合作，并参加了挪威的PropSCALE项目；与德国DW公司开展实船螺旋桨空泡观测技术合作，在国内首次完成了实船螺旋桨空泡的观测试验，提升了团队的技术实力。
在国内，以市场需求为导向，与大连船舶重工、上海船舶研究设计院、江苏新时代造船等船舶企业，在绿色节能船型开发、高效桨设计、水动力节能装置研发、EEDI验证等方面进行合作，基于船型/螺旋桨/舵/水动力节能装置一体化综合优化设计技术，打造了节能环保型32万吨VLCC、3.3万吨化学品船、15.8万吨油船等品牌绿色船型，为相关合作企业赢得了百余条造船订单，有力提升了相关企业的市场竞争力。
团队自成立以来，在自主研发、自主创新的基础上，通过连续10余年的研究积累、技术攻关，解决了绿色船舶与推进系统节能流动控制、创新型构型设计、定制式增效、精细化能效验证评估等技术难题，成功自主研发了节能船型、高效螺旋桨、系列化水动力节能装置、能效评估专用软件平台，为提前满足IMO对船舶节能减排第二阶段目标提供了国产化技术的解决方案，实现了我国主力品牌船型能效水平的跨越式提升，显著增强了我国在国际船舶市场的竞争力。
未来，团队将依托水动力学国防科技重点实验室、振动与噪声国家重点实验室、江苏省绿色船舶技术重点实验室等平台，加大人才引进和培养力度，进一步优化团队结构。在现有软硬件基础上，围绕武器装备和绿色船舶节能创型，打造军民融合的国家重点实验室，进一步建设冰水池、超大型循环水槽、高海情风浪流实验室，建立螺旋桨空泡、噪声、激励力同步测量系统与实船推力测量系统等，自主研发船型概念优化设计与实尺度性能仿真软件平台等，为团队的持续创新提供支撑平台。进一步加强基础研究，重视核心原始创新的理论与方法研究，进行节能技术与安全技术融合创新、军民融合创新等；进一步拓展绿色船舶节能创型的内涵，完善船舶系统节能创新技术；加强节能创型技术的外延，拓展创新应用的范围，进一步凝练提升已形成的节能创新技术并拓展到航空、汽车等相关领域。
团队带头人简介
周伟新，博士，研究员，博士生导师。国家有突出贡献专家，上海市领军人才，我国船舶流体力学家，长期从事船舶与海洋工程结构物的推进器基础理论、试验技术及成果应用研究。是较早把基本方程与先进激光测速试验技术相结合研究，并开展螺旋桨剖面空泡噪声特性研究和船舶能效设计指数（EEDI）研究的学者之一。长期致力于船舶节能推进技术成果应用转化，是我国绿色船舶创新技术研发和配套产业化的领军人物。主持完成海军陆军武器装备研制和高技术船舶科研等重大项目20余项，获得省部级科技进步奖近20项。建立了基于Eppler剖面设计方法的水面舰船螺旋桨设计计算系统并形成军用标准；带领团队在大型螺旋桨及超大型螺旋桨设计技术开发方面取得突破性进展，实现了我国民用大型、超大型船舶螺旋桨的国产化设计，成功应用于1500余艘民船，打破了国外的技术垄断，国内市场占有率超过40%；开发了系统集成船型、高效桨及节能装置于一体的绿色船舶概念设计新技术，推出了3.3万吨化学品船、15.8万吨油船等十余型EEDI降低30%以上、性能优异的绿色船型，为国内船厂争得了百余艘造船订单，创造经济效益逾百亿元。
作为我国绿色船舶EEDI技术专家组副组长，在应对全球气候变暖和节能环保型船舶技术领域，尤其是船舶风浪失速因子（fw）研究方面做了开拓性工作。建立了EEDI和fw的定量评估验证体系，推动和支撑了我国船舶节能减排绿色船舶规范标准的研究及绿色示范船型的开发设计。近年向国际海事组织（IMO）提交了10余份提案，提出了中国的fw计算导则，为我国争取了国际话语权。
