船舶尾气羽流扩散仿真与轨迹预测研究
摘要
船舶尾气中含有二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物等污染物。随着国际航运
的发展，船舶尾气带来的危害也越来越严重。各国纷纷推出更严格的法规和建立排放控
制区来限制船舶尾气的排放，但由于尾气的轨迹难以预测，使得排放污染物的远程检测
较难展开。针对以上问题，本文以远洋货轮为研究对象，采用CFD仿真为研究方法，开
展了船舶尾气的扩散研究，明确了船舶尾气羽流的扩散规律，并开发羽流轨迹预测软件。
本文的主要工作内容如下：
（1）根据现有文献内容，对船舶尾气羽流扩散数值模型进行了验证。建立船舶尾气
羽流扩散仿真模型，分析了静风环境下羽流的扩散规律，开展了尾气温度、尾气速度、
烟囱角度三个因素对静风环境下尾气扩散的影响研究。研究发现：羽流的扩散主要分为
两个阶段，以第二速度极值点为分隔，扩散过程在羽流与空气存在明显边界。烟囱角度
对尾气的前期扩散影响较大，对于尾气的扩散速率基本无影响；当尾气速度对于尾气的
影响主要在前期；尾气温度变化对尾气扩散的前期并无较大影响。
（2）进行了尾气在有风环境下的扩散规律研究，开展了不同风速下相同速度比、偏
航角度、尾气温度、烟囱角度对有风环境下羽流扩散影响的研究，并将关联性强的因素
进行叠加，针对低温环境颗粒物的扩散规律进行了研究。研究发现：船后湍流区对尾气
的扩散影响巨大，会造成尾气的停滞、挤压等影响；根据尾气受到湍流区的影响程度，
将有风环境下烟气的扩散分为前期和后期两个状态。发现合成风速均会对尾气扩散轨迹
的稳定性造成影响，合成风速越高，尾气扩散轨迹不稳定性越大；同时研究发现合成风
速越大，尾气温度下降速度越快，而当烟气速度越大，尾气温度下降越慢。发现颗粒物
的扩散规律与尾气扩散规律类似。其他因素对颗粒物捕获率影响较少，而当合成风出现
偏航角后，区间内颗粒物的捕获率随偏航角的增大迅速增加。
（3）针对各因素对羽流扩散速率影响进行了研究，开展了预测船舶尾气羽流预测
软件的搭建。研究发现：影响最大的正向因素为尾气速度，影响最大的负向因素为外界
流速，影响最小的因素为尾气温度。选择GBDT模型作为预测算法。经过误差分析发现
预测模型存在较大误差，但其预测的轨迹趋势与计算值保持一致，具有参考价值。
关键词：船舶尾气；羽流扩散；碳烟扩散；机器学习；羽流轨迹预测
I
船舶尾气羽流扩散仿真与轨迹预测研究
Abstract
Shipexhaustcontainspollutantssuchascarbondioxide,nitrogenoxides,sulfuroxidesand
particulatematter.Withthedevelopmentofinternationalshipping,thehazardscausedbyship
exhaustarebecomingmoreandmoreserious.Countrieshaveintroducedstricterregulations
andestablishedemissioncontrolareastolimittheemissionofshipexhaust.However,the
trajectoryofexhaustgasisdifficulttopredict,makingitdifficulttocarryoutremotedetection
ofdischargedpollutants.Inviewoftheaboveproblems,thispapertakesocean-goingcargo
shipsastheresearchobject,carriesouttheresearchonthediffusionofshipexhaust,clarifies
thediffusionlawofshipexhaustplume,anddevelopsthep