启航，踏上绿色海洋未来的变革之旅

今年早些时候，国际海事组织 (IMO) 设定了到 2050 年实现绿色海洋工业和净零排放的宏伟目标，与之前的 2100 年目标相比，这一目标大幅提速（在此处查看更多详细信息）。该行业一直处于波涛汹涌之中，船舶生命周期管理对此产生了广泛的影响，从概念设计到实时运营和退役。大多数行业利益相关者在观察到一系列逐渐严格的环境法规后，已经预见到了这一发展趋势。

在 2022 年清洁能源行动论坛期间，美国船级社 (ABS) 首席执行官兼总裁克里斯·维尔尼基 (Chris Wiernicki) 概述了所谓的可信燃料途径，这将是船舶运营商选择新燃料类型以实现零碳目标的关键驱动力。技术就绪时间表是决策的核心，可以分为短期、中期和长期。根据维尔尼基的说法，如果能够建立以下四个支柱，就可以做好这样的准备：

• 可靠的商业案例
• 可扩展性
• 提供和使用可认证数据
• 减轻意外后果

绿色海洋工业的短期解决方案

短期解决方案是液化天然气 (LNG)、甲醇以及第一代和第二代即用型生物燃料。根据克拉克森研究数据，全球 4.1% 的贸易船队可以使用 LNG 作为燃料。这占船队总替代可行燃料部分的 91%。此外，液化天然气的主导地位也反映在当前的订单簿上，33.3% 的人选择了液化天然气，其次是液化石油气 (LPG)，占 2.3%；甲醇 (1.2%)、乙烷 (0.3%) 和氢气 (<0.3%)。将 LNG 与“氨预留”选项相结合的订单占此类订单的 10%。即用型生物燃料的主要激励因素是，现有的燃料基础设施几乎不需要调整。对于小型、近海和沿海船舶，有许多可用的电池解决方案，全电动和自动驾驶船舶的成功原型可供参考。

中期解决方案

中期将看到甲醇的进一步发展，随着兼容发动机在未来两年内的普及，氨气的使用将呈上升趋势。

长期预测

长期的绿色燃料（通过各种生物、热和化学过程从生物质来源生产的燃料）将与蓝色氢气一起提供，即由天然气生产并得到碳捕集与封存 (CCS) 支持的氢气。碳捕集与封存技术准备情况对于船上和陆上作业起着至关重要的作用。船级社率先评估将核能作为能利用该技术的大型商业船舶的一种燃料选择。一项重要的试点研究刚刚发布。

Simcenter 仿真链 – 扬帆起航

净零排放之旅的每个阶段都面临着船舶运营的不同工程挑战，以下列举几个示例：

• 气体扩散
• 后处理
• 储罐晃荡
• 储罐蒸发（储罐中意外升温影响气体低温状态的过程）。
• 减排和清洗（洗涤器）后处理
• 加注过程中的低温气体泄漏（加注过程）
• 航行计划 – 生成燃料和排放概况

Simcenter STAR-CCM+ 的多物理场功能可用于在概念设计和辩论分析中为这些问题提供基于仿真的预测。

更高系统级别的 Simcenter Amesim 能够以各种细节和保真度分析发动机和推进配置，一直延伸到航行计划、燃料消耗和排放概况。

第一批沿海船舶已经全电动航行，而航船业已经开始着手执行其电气化任务。Simcenter Amesim、Simcenter Motorsolve 和 Simcenter STAR-CCM+ 提供了许多模板化解决方案，以考虑电池组尺寸的传动系统设计或帮助防止热失控。

大型船舶、零排放、绿色船舶解决方案

回到大型船舶和全球贸易主力军方面，我们想重点介绍 Simcenter 套件中的仿真技术如何帮助工程师解决替代燃料的短期和中期解决方案。在可行燃料途径的四大支柱中，当涉及到氨时，必须在实施的早期解决减轻意外后果的问题。

液化天然气和氨气以低温状态储存，这意味着任何暴露于环境条件下的情况（例如燃料补给过程中发生泄漏）都会导致瞬间汽化（闪沸），给船员带来危险，并对环境造成诸多危害。由于环境压力低于液体燃料的饱和压力，因此从管道泄漏到环境中的液体喷雾发生闪沸。根据喷雾的方向和与相邻结构的距离，可能会发生分散的蒸汽云的凝雨沉降物：剩余的液滴从大部分蒸发的喷雾中撞击，然后高度易燃。

案例分析：加注

加注是船舶在海上或港口的一项关键操作。成功的加注需要将燃料安全地转移到船舶的储罐中，而不会溢出、溅出或泄漏。

仿真可以从第一步就开始助力加注过程

在加注过程开始时，航行计划确定要加注的燃料量。Simcenter Amesim 的船舶库允许将发动机和传动系统模型插入航行和操纵仿真环境中，同时考虑客房负载、辅助发动机燃料消耗、风、浪和电流对动力特性的影响。

在确定了燃料量（包括要加注的储量）后，开始规划哪些储罐将接收燃料。此时，储罐、管道和阀门、压载系统和通过燃料本身的燃料进气口模型有助于性能预测和监控，并确保船舶所需的静液压。这些物体和泄漏或溢出的行动计划通常在加注前的会议中讨论，该会议可以通过快速模型进行数字化支持，以获得对假设场景的快速响应。

成功的秘诀

Simcenter Flomaster 的仿真环境允许生成不同加注场景的结果包络线，但也可以在设计阶段提供上游服务，以确定泵和管线的尺寸，以实现储罐加注、排空和试探的最佳时间。最终，仿真中的规则关键指标可以按照 MARPOL 附录 I 自动输入燃油记录簿。

避免潜在的系统故障和危险

我们现在主要关注潜在的系统故障以及对机组人员和环境的危害。我们的模板可以设置为对相关法规的明确响应，例如液化天然气的 IMO IGC 和 IGF 规范。液化天然气通常储存于 -162^◦ C 左右，可能对人体皮肤造成冻伤和烧伤等低温危害，并在易燃范围内转变为气态时造成火灾和爆炸风险。对于氨，船员可能会出现皮肤灼伤、刺激以及呼吸系统和眼睛发炎。空气中的高浓度气体，尤其是在狭窄空间内，会导致爆炸或对人体造成致命后果。

了解 CFD 仿真如何帮助您分析意外后果

为了更好地了解喷雾闪沸和气体扩散的危害，我们研究了海上补给问题，其中我们模拟了由于加注过程中泄漏而从管道中扩散的低温氨。利用 Simcenter STAR-CCM+ 的仿真功能，可以研究低温气体扩散闪沸的复杂物理场。广受关注的指标包括羽流的范围、给定点位置的氨浓度以及是否会出现凝雨沉降物。美国国立卫生研究院称，尽管甲板上呼吸新鲜空气的工人不太可能在 30 分钟或更长时间内暴露在超过 2000 ppm 的致命浓度水平下，但在同一时长内暴露于低至 70 ppm 的浓度下，眼睛和呼吸系统就会产生刺痛感或灼热感。
这些浓度水平在发动机舱等封闭空间内并非无法达到，这凸显了采用仿真技术进行风险评估和对策设计的重要性。

在我们假想的燃料补给场景中，液氨在 8 巴的压力下从泄漏处水平排放到接收船的燃料补给基础设施上，从而迅速扩散到环境中。在 10 秒的时间内，可在工作地点的典型位置计量到大约 1 ppm 的浓度。在甲板上没有检测到凝雨沉降物，即整个泄漏的物质转变为气态。

保持整合 – 全员参与，共创绿色海洋未来

我们了解了与绿色海洋目标相关的工程问题，从概念设计到船上操作，并协助生成强制性文件。组件或特定问题的研究肯定会对一般船舶设计的基本方面产生影响。跨设计空间的复杂性和互连性可能令人不堪重负，在这种情况下，Simcenter HEEDS 可以提供通往解决方案港口的航点。

揭开终极解决方案的面纱：利用洞察见解实现最佳结果

Simcenter HEEDS 的作用是双重的。首先，它的工作流管理器通过全方位的 I/O 映射和管理，充当 Simcenter CAE 工具网格中的蜘蛛。此外，其多学科设计优化可以用于子工具、整体流程或两者的组合。设定切合实际的优化约束并利用 Simcenter HEEDS 强大的后处理套件来获得重要的见解，这将是安全返港的关键。

锚泊时间

在船舶和浮动平台的设计和运营方面，存在大量的工程问题，Simcenter 商店中的工具比手头博客中提到的工具要多得多。您有没有想过快艇的乘客安全和舒适度？Simcenter Madymo 是值得遵循的灯塔。

使用 Simcenter 的集成性能工程，全速前进，迈向绿色海洋的未来。请继续关注我们即将发布的有关应对多相挑战的 CFD 仿真解决方案的白皮书。同时，下载此白皮书，重点关注如何通过仿真工具推动船舶设计，并探索实用见解以增强船舶项目方法。