常规船舶水动力节能技术是指通过船体线型、螺旋桨和加装附加装置等的优化对船舶周围流场进行调控，以达到降低船舶阻力或提高螺旋桨推进效率而达到节能目的，具体可见表1。
表1 常规船舶水动力节能技术措施
船型优化
船型优化主要是针对船体型线进行优化，以改善静水或风浪中航行的船体表面压力和兴波，从而达到降低船体阻力的目的。目前，船型优化主要基于SBD(Simulation Based Design)技术，如图1所示，将CFD性能评估、几何重构/变形技术和智能优化技术相结合，实现一定约束条件下船体性能的最优化。船型优化技术一般可实现节能2%-5%。
图1 基于SBD技术的船型优化设计
高效螺旋桨
高效螺旋桨是相对于传统图谱螺旋桨(如MAU系列图谱、B系列图谱)而言的，它是建立在船体尾部线型-螺旋桨-回收尾流能量的节能装置一体化的流体动力性能最优匹配设计理念之上的(如图2所示)，且是依据船尾流动特征进行理论优化设计而得到的最优方案。相比于图谱螺旋桨，高效螺旋桨在外形上有明显差别，且在性能上具有效率高(平均达到2%以上)、空泡及脉动压力性能优等优势。
图2 高效螺旋桨的新设计理念
目前，中国船舶科学研究中心所开发的高效螺旋桨已达到国际先进水平，具有以下特点：
最佳直径：提高效率；
大侧斜：激振力低；
新剖面：提高效率、改善空泡；
变螺距：提高效率、改善空泡；;
叶梢特殊纵斜：抑制叶梢绕流；
适伴流：与船体艉部最佳匹配；
效率-振动-空泡等的综合权衡。
图3 MAU螺旋桨与高效螺旋桨对比(左:MAU桨；右:高效桨)
水动力节能装置
依据动量定理，螺旋桨吸收主机功率后使进入螺旋桨的水流加速，从而获得推动船体前进的推力。亦即，螺旋桨紧后方的尾流速度，包括轴向速度和周向旋转速度，要比螺旋桨前方的水流速度高，但在离开螺旋桨后被加速的水流所具有的能量又被耗散了。由此可见，螺旋桨尾流中存在轴向和周向水流能量损失，如图4所示。
水动力节能装置是指安装在螺旋桨前方或后方的以提高螺旋桨推进效率、降低桨后尾流能量损失为目的的附体装置，其节能效果一般可达到3%-8%。
图4 船尾流场能量损失分析
如图5所示，根据安装位置的不同，水动力节能装置一般可分为桨前和桨后两类：
桨前节能装置：安装在螺旋桨前方，主要通过改善螺旋桨进流品质或提供预旋流动等方式提高螺旋桨推进效率来达到节能目的。典型的桨前节能装置包括伴流补偿导管、前置导叶、前置预旋导轮、整流鳍等。
桨后节能装置：安装在螺旋桨后方，主要通过回收螺旋桨尾流能量损失来达到节能目的。典型的桨后节能装置包括桨毂消涡鳍、舵球、舵附推力鳍、扭曲舵等。
目前，国内由中国船舶科学研究中心开发的前置预旋导轮、桨毂消涡鳍等节能装置产品也已达到国际先进水平，已获得千余艘船舶的应用，得到了市场广泛认可。
图5 典型的船舶水动力节能装置
(1)前置预旋导轮
前置预旋导轮(CMES-PSV®)是一种由中国船舶科学研究中心自主开发的，将前置导管与前置导叶有机结合的组合式节能装置，节能效果一般可达3%-8%。根据船尾流动特征，有两种形式，如图6所示，一是前置导叶完全置于导管内的常规导轮，适用于船尾相对肥大的船舶；另一是导叶伸出导管外的光芒型导轮，适用于船尾相对瘦削的船舶。
前置预旋导轮的节能机理主要包括：1)改善分离流动，恢复船艉表面压力；2)均匀螺旋桨进流，提高推进效率；3)采用加速型导管，可产生附加推力；4)产生预旋流，减小尾流旋转能量损失。
图6 前置预旋导轮(左:常规导轮；右:光芒型导轮)
相对于伴流补偿导管及前置导叶，前置预旋导轮有效解决了伴流补偿导管无法适用于尾部瘦削的或航速较高、螺旋桨负荷较小的船型(如集装箱船等)的问题，同时又避免了前置导叶结构相对薄弱的问题。因此，前置预旋导轮是目前市场上应用最广泛的桨前节能装置之一，累计实现实船应用达到400余套。
(2)桨毂消涡鳍
桨毂消涡鳍(CMES-HVAF®)是一种桨后节能装置，通过在螺旋桨桨帽上增设与螺旋桨叶数相同的小鳍片，以回收螺旋桨毂涡能量损失，节能效果一般为2%-5%。
桨毂消涡鳍的节能机理主要包括：①消除螺旋桨桨毂毂涡空泡，如图9所示；②回收尾流能量损失；③鳍片可降低尾流轴向速度，恢复桨毂压力，减小桨毂阻力；④鳍片产生负扭力，从而降低螺旋桨扭矩，并可产生推力。
图7 桨毂消涡鳍模型试验
相对于其他桨后节能装置，桨毂消涡鳍具有如下优点：1)节能效果优良；2)结构简单，安全可靠；3)安装方便，无需在干坞安装；4)投入低，收回成本周期短。因性价比高，目前桨毂消涡鳍在市场上受到广大船东的广泛认可，已实现实船应用达到800余套。
水动力节能装置典型应用案例分析
概括而言，水动力节能装置具有如下优势：①安全、可靠、有效；②省油效果好，可达3%-10%；③同等航速下可有效减少CO2、SOx、NOx排放；④维护成本低；⑤提高船舶的安全性；⑥提高航速，利于抢占泊位；⑦投资低，成本回收期短。因优势突出，水动力节能装置已成为目前新造船的标配和在营运船舶节能改造的首选，而获得广泛应用。
(1) 5.7万吨散货船
5.7万吨散货船是目前船舶市场上保有量最大的船型之一。中国船舶科学研究中心针对该船开展了船舶水动力节能装置设计开发，并最终采用前置预旋导轮 桨毂消涡鳍的组合水动力节能方案，如图8所示。经过模型试验验证，前置预旋导轮和桨毂消涡鳍的节能效果分别可达到5.4%和3.0%，节能效果显著。经实船应用及测试结果表明，其节能效果可达到9.0%，日均可实现节油达到2吨以上，1年内可收回投资成本，节油经济效益突出。
由于该节能装置方案在实船节油效果上的优异表现，获得了船厂、船东的一致认可，现已也陆续装船70余艘。2018年，“57000吨散货船尾流前置预旋导轮及消涡鳍技术改造”项目以排名第一入选首届国家节能中心“重点节能技术应用典型案例”。
图8 安装于5.7万吨散货船的水动力节能装置
(2) 40万吨超大型矿砂船
2016年3月10日，中国远洋海运、招商局集团、工银金融租赁有限公司与淡水河谷签订协议，订购30艘40万吨超大型矿砂船(Valemax-II)。40万吨超大型矿砂船重点突出“绿色、环保、节能和安全”的特点，其中船舶水动力节能装置是该型船开发的重点之一，备受船东和船厂的关注，同时也是众多国内外节能装置供应商的必争项目。
中国船舶科学研究中心采用前置预旋导轮 高效螺旋桨 桨毂消涡鳍的组合式节能方案，依据一体化设计理念，实现了整体节能效果的最优。经国外第三方水池试验验证，以推进效率最高、节能效果最优、无空泡剥蚀风险等综合性能最佳赢得了竞标，最终赢得了全部30艘船的供货订单。产品自2017年8月开始陆续交付安装，于2018年底完成全部产品交付。据测评，加装该一体化水动力节能装置方案(见图9)后，每船日均可节油约5吨、年均节省燃油费约45万美金、减少CO2排放3000余吨，经济效益和减排效益均十分突出。
图9 安装于40万吨矿砂船的水动力节能装置
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