船舶EEDIweather中系數(shù)fw的快速預(yù)報方法研究

李建鵬， 李傳慶， 邢 磊， 何惠明

(航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

0 引 言

海洋運(yùn)輸是全球貨物運(yùn)輸中運(yùn)用最廣泛的一種方式，占國際貿(mào)易總運(yùn)量的2/3以上。船舶作為運(yùn)輸載體，其日趨大型化使得運(yùn)載量大大增加，為低值大宗貨物的運(yùn)輸提供了有利條件。不過不可忽視的是，船舶在大海中航行會排出大量的CO2，從而污染環(huán)境。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計，海洋運(yùn)輸年排放CO2量達(dá)到10億t，占全球CO2排放總量的3%～4%[1]。為降低CO2的排放量，減少對環(huán)境的污染，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)已于2013年1月1日強(qiáng)制實施船舶能效設(shè)計指數(shù)(Energy Efficiency Design Index, EEDI)，適用于所有新造400GT及以上國際航行船舶。這一政策可以有效控制船舶溫室氣體排放的措施[2]。雖然我國是造船大國，但造船技術(shù)還比較落后，與發(fā)達(dá)國家之間的差距較大，EEDI政策的強(qiáng)制實施，勢必對我國的造船業(yè)產(chǎn)生重大影響，同時也是努力提高自身技術(shù)的機(jī)遇[3-4]。

船舶EEDI的計算公式適用于傳統(tǒng)的柴油機(jī)帶動螺旋槳的推動方式，其計算公式為

(1)

式(1)中：fw為表示船舶在波高、浪頻和風(fēng)速等代表性海況下的航速降低情況的無量綱系數(shù)，當(dāng)fw=1.0時，不考慮風(fēng)浪對船舶的影響；當(dāng)fw≠1.0時，即考慮了環(huán)境因素。該公式變?yōu)镋EDIweather，能全面衡量船舶CO2的效能指標(biāo)，作為自愿導(dǎo)則推薦論證，此時fw可通過耐波性試驗獲得，且對attained EEDIweather的計算有著重要影響，決定該船是否能夠通過能效評估。

為建立快速實用的fw預(yù)報方法，在研究過程中挑選了8艘典型船進(jìn)行系列耐波性模型試驗，選擇的模型遵循當(dāng)代性、代表性、廣泛性三原則，試驗對象涵蓋散貨船、油船、集裝箱船。以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合ITTC推薦的RTIM方法，計算船舶在EEDI海況中的fw；同時，對結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到能夠快速預(yù)報fw的工程計算方法，為船型開發(fā)設(shè)計提供參考。

2 迎浪規(guī)則波模型試驗

2.1 船型基本資料

試驗選取了10艘典型船加工模型，其中散貨船3艘、油船2艘、集裝箱船3艘，對每艘船模進(jìn)行設(shè)計吃水狀態(tài)下的迎浪規(guī)則波試驗，實船具體參數(shù)見表1。

表1 試驗船基本資料

2.2 試驗水池及測試儀器

該試驗在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所拖曳水池(該水池是國際拖曳水池(ITTC)正式成員單位)中進(jìn)行。水池長為192 m、寬為10 m、深為4.2 m，試驗采用集成化數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；所用到的造波裝置為電液伺服式造波機(jī)，最大波高0.3 m，造波頻率范圍為0.25～2.0 Hz；適航儀采用GEL-430-S四自由度適航儀，可測量縱搖、橫搖、縱蕩、垂蕩以及波浪中的阻力；浪高儀采用無接觸式浪高儀，并置于拖車前端，可避免船體興波對波浪測量造成干擾，提高入射波測量精度。

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理方法

迎浪規(guī)則波模型試驗結(jié)果采用波浪增阻無因次頻率響應(yīng)曲線，橫坐標(biāo)為波長、船長比，即λ/Lpp;縱坐標(biāo)為波浪中阻力增值KΔR，其表達(dá)式為

(2)

ITTC雙參數(shù)譜為

(3)

船舶在實際海況中的阻力增加為

(4)

2.4 風(fēng)阻力計算方法[5]

風(fēng)阻力Rwind采用經(jīng)驗公式計算，即

(5)

2.5 EEDI海況[7]

EEDIweather中的fw以EEDI海況下的計算結(jié)果為準(zhǔn)，海況具體信息見表2。

表2 EEDI海況

2.6 船舶在波浪中fw預(yù)報方法

阻力推力法(RTIM)假定螺旋槳在波浪中的敞水性能與靜水中的一致，目前通過一些波浪中敞水試驗研究發(fā)現(xiàn)，在螺旋槳浸深足夠的情況下該假設(shè)成立[8]。RTIM的具體程序：

船舶在實際海況下的總阻力Rts為

Rts(V)=R0(V)+Rwave(V)+Rwind(V)

(6)

式(6)中：R0(V)為靜水中的阻力；Rwave(V)為波浪中增阻；Rwind(V)為風(fēng)阻。

螺旋槳發(fā)出的推力為

(7)

螺旋槳進(jìn)速為

VA=(1-w)VS

(8)

式(6)～式(7)中：w與t為實船的半流分?jǐn)?shù)與推力減額，兩者均可以由航模自航試驗數(shù)據(jù)得到。

實槳負(fù)荷系數(shù)為

(9)

(10)

波浪中的有效功率

Pew=Rts(V)V

(11)

波浪中螺旋槳收到功率

(12)

根據(jù)不同海況下計算得到的Pd，繪制Vs—Pd曲線圖(見圖1)，得到實際海況下船舶航行速度相對靜水中航速的差值ΔV，即可計算出fw。

按照該方法計算得到的8艘模型的fw見表3。

圖1 功率航速曲線

表3 各船型在波浪中的氣象因子fw

3 多元回歸

進(jìn)行模型試驗需要花費(fèi)大量的時間、人力和財力，為充分利用模型試驗結(jié)果，對其進(jìn)行回歸分析，建立經(jīng)驗公式，并推廣至工程應(yīng)用中，以方便快捷預(yù)估船舶在波浪中的氣象因子fw[9]。

采用的回歸公式

(13)

式(13)中：C1,C2,C3,C4為系數(shù)，分別是C1船長因子，C2浪級因子，C3風(fēng)級因子，C4-船型因子，各表達(dá)式分別為

(14)

C2=T1·H1/3

(15)

C3=H1/3·A

(16)

式(13)～式(16)中：T1為波浪特征周期；H1/3為有義波高；A為船體迎風(fēng)面積。對于C4，一般常規(guī)船取1，集裝箱船取0.4，肥大球艏船取1.05。為了方便使用，將上述多遠(yuǎn)回歸分析編寫成程序軟件(見圖2)。

采用回歸分析方法預(yù)報出8艘船舶的氣象因子，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。從計算結(jié)果看，相對誤差均在5%以內(nèi)，可以滿足工程計算要求。

4 結(jié) 語

fw在EEDIweather計算過程中有著相當(dāng)重要的地位，通過一系列的模型耐波性試驗，結(jié)合RTIM方法,預(yù)報了各船在EEDI海況中設(shè)計航速下的fw，并將這些結(jié)果進(jìn)行回歸處理，得到了具有一定精度的回歸公式。該公式可以方便、快捷地預(yù)估船舶fw，具有一定的工程應(yīng)用價值。

圖2 軟件界面

表4 回歸結(jié)果與實驗結(jié)果對比

參考文獻(xiàn)：

[1] 顏林. 國內(nèi)船舶能效設(shè)計指數(shù)與CO2排放基線實船研究[J].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

[2] 李斌. 船舶能效設(shè)計指數(shù)和能效營運(yùn)指數(shù)介紹及分析[J].世界海運(yùn), 2012：23-26.

[3] 柳衛(wèi)東，陳兵. 新造船能效設(shè)計指數(shù)及其對船舶設(shè)計的影響[J].船舶工程, 2010, 32(2):17-21.

[4] 張麗瑛. 船舶能效設(shè)計指數(shù)及其未來對船舶業(yè)的影響[J].中國水運(yùn), 2011, 11(1):1-4.

[5] 魏錦芳，陳京普，周偉新. EEDI中船舶失速系數(shù)fw的計算方法與軟件開發(fā)[J].中國造船，2010，51(3)：77-82.

[6] 陶堯森. 船舶耐波性[J].上海：上海交通大學(xué)出版社，1995.

[7] 中國船級社. 船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)驗證指南[S].2012.

[8] R. 巴塔杳雅. 海洋運(yùn)載工具動力學(xué)[M].鄔明川，譯.北京：海洋出版社，1982.

[9] 何惠明，董國祥，蔣永旭. 運(yùn)輸船舶在波浪中失速的近似估算[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報，2009, 32(2):6-9.