試航測速修正方法研究

蔡躍勝，陳曉瑩

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

航速是引入船舶建造合同的主要考核指標(biāo)之一，為了保證航速測量的精確性，總是盡量選擇風(fēng)浪較小的海況下進(jìn)行實(shí)船測速試驗(yàn)，但海上風(fēng)浪變幻莫測，實(shí)際測速較難在很理想的條件下進(jìn)行。因此，采用合適的修正方法將實(shí)際所在海況的測速結(jié)果修正到建造合同規(guī)定的海況（如：無風(fēng)、浪、流的深海）就成為問題的關(guān)鍵。測速一般是在主機(jī)SMCR（額定最大持續(xù)功率）50%、75%、90%和100% 4種工況下進(jìn)行，每一工況下在同一區(qū)域以往返的方式測速，同時(shí)盡量縮短每次測試之間的時(shí)間間隔，以此減小風(fēng)、流和波浪變化帶來的影響，即減小海況發(fā)生變化所造成的誤差。

本文融合了24th ITTC 波浪阻力計(jì)算方法、ISO 15016中根據(jù)螺旋槳負(fù)荷變化修正功率、速度和轉(zhuǎn)速的方法、BSRA海流修正方法及共同采用的風(fēng)阻力修正方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種被船東接受、又方便船廠實(shí)際操作的科學(xué)方法。

1 測量數(shù)據(jù)記錄

在整個(gè)測速過程中，主要需要記錄各航次的航向、對地船速 VG/kn、軸功率 PSPs/kW、軸轉(zhuǎn)速n/r/s、相對風(fēng)速 VWR、相對風(fēng)向、水深、波高以及相對波向。

在測速期間，需要注意風(fēng)力應(yīng)不超過：六級蒲福風(fēng)（Beaufort Number 6），（船長≥100m）；五級蒲福風(fēng)（Beaufort Number 5），（船長 <100m[1]）。

相對風(fēng)速和相對船首風(fēng)向通過風(fēng)速儀測量。波高波向可通過測波儀來測量，或由有經(jīng)驗(yàn)的船長評估，也可通過蒲福風(fēng)級取對應(yīng)的波高，取同期的相對風(fēng)向作為波相對船首的方向（或測速時(shí)航向?yàn)轫斃?順浪）。

2 修正方法簡介

船舶在同一吃水、同一對水速度的狀態(tài)下，在有風(fēng)、浪和涌以及無風(fēng)、無浪和無涌的兩種海況中，螺旋槳的進(jìn)速一定，但螺旋槳的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是不同的。也即同樣船舶吃水狀態(tài)，保持同樣對水速度，螺旋槳的轉(zhuǎn)速和所需的功率是不一樣的。ISO 15016對船身所受額外阻力的修正就是根據(jù)螺旋槳的負(fù)荷變化來修正的，比BSRA更為科學(xué)，但其具體處理過程有待商榷。本文對其過程作了修改，對風(fēng)、浪額外阻力的修正是基于船舶對靜水速度一定的情形下（即螺旋槳進(jìn)速 VA保持不變），通過螺旋槳負(fù)荷變化，得到相應(yīng)的功率，且各航次修正與前后航次不相關(guān)（這是與ISO 15016的根本區(qū)別）。該方法主要對風(fēng)、浪、海流、淺水效應(yīng)和排水量進(jìn)行修正，其他關(guān)于海水密度、水溫、鹽度、舵角和漂移等的修正，由于可操作性不強(qiáng)，且影響較小，不作考慮。

2.1 螺旋槳負(fù)荷的總阻力計(jì)算

基于測量數(shù)據(jù)和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可推出式（1）：

此時(shí)，由螺旋槳的敞水特征曲線（圖1中，KQ- J曲線），根據(jù)KQ得到J；再由螺旋槳的敞水特征曲線（圖1中，τ-J曲線），根據(jù)J得到τ。經(jīng)J得到螺旋槳的進(jìn)速：VA= nDJ ，則可求得螺旋槳負(fù)荷的有效總阻力 Rt，見式（2）：

圖1 螺旋槳的敞水特征曲線

2.2 附加阻力計(jì)算

附加阻力主要是風(fēng)和浪對船體增加的額外阻力, 其他因海水溫度、鹽度、舵角和漂移等引起的額外阻力，由于其影響較小，且修正方法可操作性不強(qiáng)，故忽略不計(jì)。

2.2.1 風(fēng)的阻力

先假設(shè)船舶處于真空，將空氣阻力，無論是流動空氣的阻力還是靜止空氣的阻力，全部除去。24th ITTC、ISO 15016和BSRA對風(fēng)阻力的計(jì)算公式見式（3）：

to——空氣溫度，℃；

Pa——大氣氣壓，102kPa。

CAA——風(fēng)阻系數(shù)，如有船舶風(fēng)洞試驗(yàn)的CAA，則直接采用；否則利用同類船型的CAA曲線得到該值，BSRA和ISO 15016都附有各類船型CAA和相對風(fēng)向的曲線（見圖2，該圖為油船的曲線）。注意，相對風(fēng)向一般大于80°的時(shí)候，CAA為負(fù)值；且此系數(shù)還應(yīng)包含風(fēng)速儀高度的影響和模型與實(shí)船尺度因素的影響；

AXV——船舶試航狀態(tài)水線以上橫向投影面積，m2；

VWR——相對風(fēng)速，m/s。

圖2 風(fēng)阻系數(shù)–相對風(fēng)向曲線（油船）

2.2.2 波浪阻力計(jì)算

BSRA對波浪阻力未做修正；ISO 15016對波浪采用微積分的方式，由于過于煩瑣，可操作性不強(qiáng)；24thITTC的方法[3]簡單易于操作。故采用波浪阻力RAW的公式（4）：

式中：H1/3——波浪高度，m；CB——方型系數(shù)；B——船寬，m；L——該狀態(tài)水線長，m；g——重力加速度，m/s2；：ρ——海水密度，kg/m3；α——波浪相對船首方向。

2.3 海流修正

在每次測速過程中，可對計(jì)程儀的速度數(shù)據(jù)予以記錄，理論上這個(gè)值與DGPS測得的速度之間的差值就是海流的速度，需注意順流還是逆流，這個(gè)值可供參考。但在實(shí)際試航中，通常計(jì)程儀的速度相較于DGPS的速度變化過于劇烈；且計(jì)程儀的精度太差，因此不建議直接用于計(jì)算。此外，測速時(shí)對每個(gè)工況下進(jìn)行一個(gè)來回測量，也就是為了海流的修正。

在真空無浪的情形下，由于海流的影響，所以在每個(gè)軸功率下，來回的航速 VS1和軸功率 PS1將形成兩根曲線（見圖3）。

在兩根曲線正中間位置畫一根新的曲線，此新的曲線上的速度即為對水速度。

原曲線與新曲線之間的水平距離即為該點(diǎn)測速時(shí)的水流速度。讀取各測速點(diǎn)的流速，將該流速與測速時(shí)間點(diǎn)畫出一根光順的曲線（見圖4）。

圖3 軸功率–速度曲線（真空無浪下）

圖4 海流速度–時(shí)間曲線

從光順的海流速度-時(shí)間曲線上量取各測速點(diǎn)的流速，反饋到 PS1-VS1曲線圖上，光順軸功率與對水速度的曲線。重復(fù)以上操作，當(dāng)上兩圖新的曲線皆光順，即可得到流速Vf（kn）。其原理是假設(shè)海流是隨時(shí)間均勻變化的。但實(shí)際海流會受海洋地貌、涌等因素的影響，并非均勻變化，如在漲落潮期間，海流變化劇烈，可測速轉(zhuǎn)向加速所需時(shí)間過長，往往第一次得到的流速–時(shí)間曲線非常不光順，多次光順后的結(jié)果與初始數(shù)據(jù)偏離太大，因此反復(fù)光順可省略。而無海流時(shí)，船對地速度VS2=VS1±Vf（kn），即中間的航速–軸功率曲線。

2.4 空氣阻力修正

絕對風(fēng)速即使為零，空氣阻力依然存在，此時(shí)相對風(fēng)速即為船速。螺旋槳的空氣負(fù)荷系數(shù)見公式（5）：

2.5 淺水效應(yīng)修正

水深是否對航速有影響，主要取決于船舶水下面積和船舶速度。3種修正方法都是應(yīng)用兩個(gè)參數(shù)以及V2來判斷水深h對航速的影響，并都推薦淺水引起的速度損失ΔVS/VS可按Lackenby給出的公式確定[1]：

式中：h——水深，m；AM——船舶水線下橫剖面面積，m2；VS——船舶速度（=VS2，kn）；ΔVS——淺水引起的損失速度，kn。

2.6 排水體積修正

船舶試航時(shí)，船舶實(shí)際吃水狀態(tài)與要求的試航吃水狀態(tài)可能因具體原因而存在差異，對由此引起的航速差異可以通過海軍系數(shù)法進(jìn)行修正。

式中：Δ——試航時(shí)的排水體積，m3；Δ0——要求的試航狀態(tài)排水體積，m3；此軸功率情形下航速為VS0，kn；轉(zhuǎn)速n0=n2×60，r/min。

經(jīng)過上述風(fēng)、浪、淺水效應(yīng)和排水體積修正后，結(jié)果為：軸功率PS0，轉(zhuǎn)速n0，航速VS0。理論上8個(gè)點(diǎn)的PS0-VS0曲線和n0-VS0曲線都應(yīng)為光順的曲線，但通常為消除修正的誤差，取各工況（SMCR的100%、90%、75%和 50%）來回的平均值作為修正后的PS0、VS0和 n0。此外，因?yàn)槲葱拚耐饨缫蛩貙Ω鱾€(gè)航速的影響比重是不一樣的，導(dǎo)致PS0-VS0曲線和n0-VS0曲線與模型試驗(yàn)的趨勢不一致，為消除該影響，建議由各平均值按表1流程得到船舶模型試驗(yàn)中各吃水狀態(tài)下實(shí)船評估結(jié)果。

表1

功率平均測評比率R1=[∑(PS0/PSm)]/4，轉(zhuǎn)速平均測評比率R2=[∑(n0/nm)]/4。然后按表2得到船模試驗(yàn)中各吃水狀態(tài)下的實(shí)船測評結(jié)果。

表2

3 結(jié) 語

船舶實(shí)際試航的測速環(huán)境，與船模在水池里的拖曳環(huán)境有著根本的差別，因此，才有試航的速度換算到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下速度的必要。上述修正方法是一種綜合了BSRA、ISO 15016、24th ITTC三種常用標(biāo)準(zhǔn)修正方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合了各方法的科學(xué)性并兼顧易操作性，稍作改進(jìn)的一種實(shí)用新方法。

[1] BS ISO 15016[S], 2002.

[2] BSRA Standard Method of Speed Trial Analysis[R], BSRA Report NS 466, 1978.

[3] Specialist Committee on Powering Performance and Prediction[R], 24th ITTC, 2005.