趙獻(xiàn)虎，袁 強(qiáng),2，黃智強(qiáng)，溫小飛

(1.浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316022； 2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；3.浙江增洲造船有限公司，浙江 舟山 316000)

隨著溫室效應(yīng)的加重，國(guó)際海事組織第62次會(huì)議對(duì)船舶能效指數(shù)(EEDI)提出了強(qiáng)制性要求，以期望達(dá)到減少CO2排放的目的[1]。與之同時(shí)國(guó)際船舶營(yíng)運(yùn)利潤(rùn)日益下降，國(guó)際燃油價(jià)格波動(dòng)明顯，船東對(duì)船舶的航速和功率等參數(shù)也更加關(guān)注，因而，需要對(duì)船舶EEDI進(jìn)行計(jì)算和分析，并檢驗(yàn)其數(shù)值是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。船舶EEDI計(jì)算需要提供船舶在靜水條件下的航速和軸功率，但是實(shí)船的試航條件很難達(dá)到規(guī)范中所要求的理想狀態(tài)，因此對(duì)船舶的試航實(shí)測(cè)航速和軸功率進(jìn)行修正計(jì)算，獲得船舶在深水、無(wú)風(fēng)、無(wú)浪、無(wú)流等海況參數(shù)條件下的航速和軸功率。為進(jìn)一步研究風(fēng)、浪和流等參數(shù)對(duì)船舶航速和軸功率的影響規(guī)律，本文模擬風(fēng)速、浪高、浪的入射角等海況參數(shù)進(jìn)行線性變化，并假定在船舶航速不變的情況下，采用相關(guān)修正計(jì)算數(shù)學(xué)模型，對(duì)船舶軸功率修正值進(jìn)行模擬計(jì)算分析，得出風(fēng)速、浪高、浪的入射角等海況參數(shù)對(duì)船舶軸功率修正值影響規(guī)律，為船舶EEDI計(jì)算和相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，具有一定借鑒意義。

1 航速修正計(jì)算理論

1.1 風(fēng)速修正

根據(jù)ISO15016中得出船舶所受的額外阻力主要來(lái)自試航過(guò)程中受到風(fēng)、浪、涌的作用，但具體過(guò)程不同軟件各有不同，本文主要是對(duì)風(fēng)和浪的附加阻力進(jìn)行研究，通過(guò)修改實(shí)船數(shù)據(jù)中的風(fēng)速、浪高、浪的入射角得出船舶修正功率的變化規(guī)律，抵消該船增加風(fēng)阻所需的額外動(dòng)力的公式為：

(1)

式中：ΔPwind為修正功率；Rwind為抗風(fēng)性；Rair為在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下由于船舶運(yùn)動(dòng)造成的空氣阻力；Vs為船速；ηs為軸效率系數(shù)，軸效率系數(shù)通常為0.990，但會(huì)在0.960～0.995之間浮動(dòng)；ηd為推進(jìn)效率系數(shù)。

一旦相對(duì)風(fēng)速和方向與船速度和路線已獲得, 可計(jì)算抗風(fēng)性?？癸L(fēng)性公式為：

(2)

式中：ρa(bǔ)ir為當(dāng)時(shí)空氣的密度；Vr為針對(duì)當(dāng)前校正的相對(duì)風(fēng)速；Cx(β)為風(fēng)系數(shù)，定義為風(fēng)的入射角的函數(shù)，β為基于真實(shí)風(fēng)的一組運(yùn)行視角的平均值；A為風(fēng)面積(正面投影面積)。

因此得到空氣阻力為：

(3)

1.2 計(jì)算流速

波浪的增加阻力必然導(dǎo)致船速度損失。為獲得理想條件下精確的速度-功率關(guān)系, 試驗(yàn)結(jié)果必須修正到實(shí)際中已經(jīng)增加的波浪阻力。

(4)

在線性船舶運(yùn)動(dòng)理論中, 波浪的增加阻力平均值通常是用傳遞函數(shù)表示。

(5)

式中：Raw(ω,β′)為在規(guī)則波中增加阻力，ω為波的頻率，β′為浪的入射角；S(ω)為波能的譜密度；ζa為波振幅。

波的增加阻力常以無(wú)量綱系數(shù)表示：

(6)

式中：B為型寬；L為船長(zhǎng)；ρ為海水密度；g為重力加速度。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，波高應(yīng)限制在船舶長(zhǎng)度(L>100 m)的1.5%以下或低于1.5 m(L<100 m)以下。因?yàn)樵诤＠锎暗乃俣券B加了遇到的波浪頻率，從而導(dǎo)致實(shí)際上形成較短波浪。在這些條件下，波浪引起的船舶運(yùn)動(dòng)中起伏和俯仰是可以忽略不計(jì)的，因此附加的波阻力主要是由反射波引起的。波浪通過(guò)船的首部造成影響。并且由于短波的深度穿透是有限的，反射實(shí)際上是由水線幾何學(xué)控制的。因此在相對(duì)短波中，大型浮結(jié)構(gòu)不規(guī)則增加阻力的平均值可以近似為：

(7)

(8)

在實(shí)船試航過(guò)程中，實(shí)測(cè)環(huán)境比較復(fù)雜，有時(shí)會(huì)與拖船試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差很多。這時(shí)就需要通過(guò)ISO中規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)公式用來(lái)修正數(shù)據(jù)，從而得到實(shí)船在相對(duì)理想狀態(tài)下的航速。

2 實(shí)船試航試驗(yàn)

船舶壓載試航狀態(tài)包括輕壓載和重壓載，船廠設(shè)計(jì)部門(mén)根據(jù)船模試驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合實(shí)際情況，確定本船試航壓載狀態(tài)為重壓載狀態(tài)：艏吃水7.9 m，艉吃水9.2 m，如表1所示。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，船舶航速測(cè)試區(qū)海況為：風(fēng)力不超過(guò)蒲氏4 級(jí)，海浪不超過(guò)3 級(jí)，水深約40 m，潮流平穩(wěn)。同時(shí)在進(jìn)行測(cè)速前，船舶需有足夠的助航距離，測(cè)速時(shí)船舶須保持正確航向，航速方向與測(cè)速標(biāo)記保持平行，偏差應(yīng)不大于±2°，最大操舵角度應(yīng)不大于±1.5°，主機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。如果試航測(cè)試海況不能滿足上述要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)須做相應(yīng)修正。

表1 試驗(yàn)船舶狀態(tài)

本次試航是在相對(duì)平靜、開(kāi)闊的深水海域進(jìn)行，滿足船舶設(shè)計(jì)吃水要求且船底干凈，在符合船舶主機(jī)功率(不帶15%海上裕度的持續(xù)常用功率)的條件下，船舶航速和軸功率利用相關(guān)專(zhuān)業(yè)測(cè)量?jī)x器設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)制定的試航大綱要求，船舶需測(cè)量主機(jī)在4種負(fù)荷工況(即50%MCR、75%MCR、85% MCR 和 100%MCR)下對(duì)應(yīng)的航速和軸功率，每種工況測(cè)量一個(gè)來(lái)回航程。

船舶試航測(cè)試航線，如圖1所示。試航船舶基本參數(shù)，如表2所示。本次試航實(shí)測(cè)航速、軸功率以及海況參數(shù)，如表3所示。

圖1 航速測(cè)定航線

船舶垂線間長(zhǎng)/m型寬/m型深/m設(shè)計(jì)吃水/m額定功率/kW額定轉(zhuǎn)速/(r/min)排水量/t194.532.2611.311.38 54894.573 086

表3 試驗(yàn)船舶數(shù)據(jù)

3 航速修正及影響因素分析

3.1 實(shí)船修正結(jié)果

根據(jù)相關(guān)修正計(jì)算理論和數(shù)學(xué)模型以及參考實(shí)船測(cè)試時(shí)海況參數(shù)，對(duì)實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正計(jì)算，得出船舶實(shí)測(cè)航速和軸功率以及修正后航速與軸功率的關(guān)系如表4所示。

表4 試驗(yàn)修正功率

由表4得知4種工況下試航測(cè)試得到的具體參數(shù)，同時(shí)把實(shí)船的外界環(huán)境修正到0.0 m/s的風(fēng)速，0.00 m的有效波高和0.00 s的波周期得出修正后的具體功率。并根據(jù)規(guī)格書(shū)：在平靜(無(wú)風(fēng)無(wú)浪)開(kāi)放深水海域，船舶設(shè)計(jì)吃水為11.3 m且船底干凈，船舶主機(jī)功率為5 320 kW的條件下，船舶的航速大約為14 kn。 在合同規(guī)定的試航條件下，主機(jī)功率為75%MCR時(shí)船舶的平均修正航速為14 kn，考慮試驗(yàn)中不確定因素太多，使所得參數(shù)稍微大于實(shí)際航行所得參數(shù)，同時(shí)也與相同航速下實(shí)船功率大于試驗(yàn)功率的結(jié)果相符合。

3.2 改變不同海況條件對(duì)修正功率的影響

在已通過(guò)實(shí)船數(shù)據(jù)采集的海況條件下，根據(jù)相關(guān)規(guī)范相對(duì)風(fēng)速在8 m/s范圍內(nèi)線性變化，浪高則是在3 m范圍內(nèi)變化。圖2為改變風(fēng)速對(duì)修正功率的影響。其橫坐標(biāo)表示風(fēng)速以相對(duì)風(fēng)速2 m/s線性增加，縱坐標(biāo)表示修正功率的變化值。由圖2可以看出，因?yàn)榇皝?lái)回處于的狀態(tài)正好相反，而航速也不同，因此所需的功率有所偏差。在相對(duì)風(fēng)速按照線性增加的條件下，修正功率也線性增加，但根據(jù)增加的值可以看出增加的修正功率不大，因此得到相對(duì)風(fēng)速的改變對(duì)船舶的修正功率影響不大，因此對(duì)航速修正也不大。

在航速和功率等條件不變情況下改變工況的浪高得到以下的修正功率變化曲線，如圖3所示。

圖2 改變風(fēng)速對(duì)修正功率的影響

圖3 改變浪高對(duì)修正功率的影響

圖3中橫坐標(biāo)表示各個(gè)工況實(shí)際浪高的增加值，并且保證浪高最大值在規(guī)定試航高度下，同時(shí)結(jié)合公式(4)得到航速不變的情況波浪增加的功率也就越來(lái)越大，因此可以得到：每種工況在浪越來(lái)越高的狀態(tài)下所需的功率越來(lái)越小，因此修正功率也就越來(lái)越大，導(dǎo)致順浪情況下的曲線變化越來(lái)越快。而逆浪狀態(tài)下，在航速和功率不變的情況下增加外在阻力，根據(jù)螺旋槳的基本理論[2]，螺旋槳的軸推力效率與阻力成正比，也就是船舶受到阻力越大，推進(jìn)效率也就隨之越高。結(jié)合公式(4)可知，軸推進(jìn)效率增高導(dǎo)致修正效率增加，抵消波浪阻力，所需功率也就變小，因此逆浪航行的情況下，修正功率變化不大。

在航速和功率等條件不變情況下，增加各個(gè)工況的浪的入射角，得到的修正功率變化曲線如圖4所示。

圖4 波浪入射角與修正功率

圖4中橫坐標(biāo)表示各個(gè)工況的浪的入射角以40°線性增加，縱坐標(biāo)表示每個(gè)工況下修正功率的變化值。圖中可以得出在入射角180°時(shí)各個(gè)工況對(duì)船舶修正功率影響最大，因?yàn)樵嚭疆?dāng)中的浪作用于船首，而180°時(shí)作用時(shí)船身，因此導(dǎo)致船受到的外力變化最大，故修正功率在180°時(shí)變化最大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)64 000 t散貨船進(jìn)行航速修正得到該船試航狀態(tài)下的修正功率和修正航速的變化。同時(shí)在對(duì)風(fēng)速、浪高、浪的入射角逐步進(jìn)行線性修正，進(jìn)而得到修正功率的變化，得出浪高對(duì)船舶修正功率影響最大的結(jié)論。