基于軸功率-航速關(guān)系的船舶污損監(jiān)測(cè)法改進(jìn)

閔少松，張子龍，彭 飛

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢430033)

基于軸功率-航速關(guān)系的船舶污損監(jiān)測(cè)法改進(jìn)

閔少松，張子龍，彭 飛

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢430033)

針對(duì)現(xiàn)有基于軸功率-航速關(guān)系的污損監(jiān)測(cè)法對(duì)航行條件限制較多的問(wèn)題,提出考慮不同浪、風(fēng)和排水量情況下的船舶航行阻力修正計(jì)算方法,擴(kuò)大監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的許用范圍。采集兩型船的實(shí)船航行數(shù)據(jù),并進(jìn)行處理,同等污損條件下計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況對(duì)比表明,改進(jìn)的污損監(jiān)測(cè)法可行,給出實(shí)船污損監(jiān)測(cè)評(píng)估準(zhǔn)則。

軸功率;航速;污損監(jiān)測(cè);阻力修正

船舶污損會(huì)導(dǎo)致航行阻力增加、燃油及溫室氣體排放增多、水下設(shè)備性能下降、航行噪聲增大、水線以下結(jié)構(gòu)腐蝕加劇、防污漆活性降低,等［1］。近年來(lái),通過(guò)船舶性能監(jiān)測(cè)來(lái)評(píng)估船體污損程度,以便采取合理的除污措施,成為解決污損問(wèn)題的有效手段。目前性能監(jiān)測(cè)主要采用軸功率-航速關(guān)系監(jiān)測(cè),其原理為航行阻力隨污損生長(zhǎng)而增加,導(dǎo)致同樣航速下軸功率增加,通過(guò)軸功率增量大小可以評(píng)估船體污損程度［2］。在實(shí)際應(yīng)用軸功率-航速關(guān)系監(jiān)測(cè)法時(shí),為了排除外部環(huán)境及航行狀態(tài)對(duì)軸功率的影響,對(duì)風(fēng)、浪及排水量等條件要求極高,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的范圍較小,效率較低。

針對(duì)這一問(wèn)題,考慮對(duì)航行中波浪、風(fēng)和排水量進(jìn)行修正,以期達(dá)到擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍,提高監(jiān)測(cè)效率的目的。

1 軸功率-航速關(guān)系監(jiān)測(cè)流程

通常只獲得軸功率-航速數(shù)據(jù)不能夠?qū)ξ蹞p進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。以軸功率-航速關(guān)系監(jiān)測(cè)船舶污損依賴于航行阻力的變化,而航行條件中浪、風(fēng)、海流和排水量都會(huì)影響船舶的航行阻力,會(huì)對(duì)軸功率-航速關(guān)系產(chǎn)生干擾。所以必須將不同污損程度下的軸功率-航速關(guān)系在同一航行條件下對(duì)比,才能反映出真實(shí)的污損影響［3］。

為此,建立軸功率-航速關(guān)系的基準(zhǔn)線,基準(zhǔn)線能夠反映出清潔船體的功率航速特性;之后在實(shí)際航行中搜集軸功率、航速,以及環(huán)境數(shù)據(jù),再修正波浪、風(fēng)、海流和排水量的影響。這樣,將實(shí)際航行條件修正到與基準(zhǔn)相同,最后從相同航速下的軸功率增量推導(dǎo)出船體污損程度。

基準(zhǔn)線的作用是反應(yīng)清潔船體條件下的軸功率-航速關(guān)系,所以在建立基準(zhǔn)線時(shí),船體應(yīng)該是清潔的,同時(shí)保持勻速直航且航行海域風(fēng)浪、水流等因素影響較小。由此提出基準(zhǔn)線建立條件,見(jiàn)表1。

表1 基準(zhǔn)條件

以上數(shù)據(jù)項(xiàng)目中,航速差值是指GPS航速與計(jì)程儀航速的差值,用于排除海流的影響。航速及軸功率變化率、舵角和航向的限制條件用于保證船舶勻速直航。風(fēng)、浪的限制條件用于避免環(huán)境因素對(duì)軸功率的影響。在實(shí)際航行過(guò)程中,需要排除影響因素建立軸功率-航速曲線,需采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目

一般實(shí)際航行中采集到的數(shù)據(jù)很難滿足基準(zhǔn)條件的要求,因此對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以放寬監(jiān)測(cè)法對(duì)航行條件的要求。對(duì)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)按照浪、風(fēng)和排水量的順序進(jìn)行修正,各修正方法如下。

1)波浪阻力。采用Salvesen計(jì)算公式［4-7］。

R7的計(jì)算公式為

式中:ω1——遭遇頻率,ω1=ω+KU cosβ。

2)風(fēng)阻力。采用第24屆ITTC會(huì)議給出的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式［8］。

式中:Ca——風(fēng)阻力系數(shù);

At——水線以上部分在橫截面上的投影面積;

Va——風(fēng)和船的相對(duì)速度,Va=V-Vwcosφ。

其中:Vw——風(fēng)速;

φ——風(fēng)速和船速的夾角。

3)排水量。假設(shè)同一船型在不同排水量條件下海軍部系數(shù)相同,利用海軍部系數(shù)法,在相同航速下其軸功率為［9-10］

式中:Δ1,SHP1——船舶建立基準(zhǔn)線時(shí)的排水量和軸功率;

Δ2,SHP2——實(shí)際航行中的排水量和軸功率。

2 監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用與驗(yàn)證

A、B采集兩型船的實(shí)際航行數(shù)據(jù),之后將軸功率-航速關(guān)系監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用在兩型船上,對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果與船體實(shí)際污損,驗(yàn)證監(jiān)測(cè)方法的可行性。A、B船基本參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目

根據(jù)A船實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果建立基準(zhǔn)線,之后收集A船的航海數(shù)據(jù),時(shí)間跨度從該船上次進(jìn)塢重新涂裝后12～24個(gè)月,共1年時(shí)間。排除波浪、風(fēng)的干擾后對(duì)部分排水量變化較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行修正,共得到13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),見(jiàn)表4。

表4 軸功率修正結(jié)果(A船) kW

B船相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法類同,共得到9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值,見(jiàn)表5。由于B船排水量變化較小,不再對(duì)該船排水量進(jìn)行修正。

對(duì)A船進(jìn)行浪、風(fēng)和排水量的修正,分析浪、風(fēng)和排水量在軸功率修正量中所占比重,對(duì)比見(jiàn)圖1。

表5 軸功率修正結(jié)果(B船) kW

圖1 A船浪、風(fēng)和排水量的修正比例

由圖1可見(jiàn),波浪阻力增值相對(duì)風(fēng)阻力對(duì)軸功率的影響更大。對(duì)于A船而言,當(dāng)排水量變化較大時(shí),則排水量應(yīng)該是主要的修正對(duì)象。在各種影響因素中,波浪阻力增值總是會(huì)增加軸功率,而風(fēng)的影響有時(shí)則可能會(huì)起到減小軸功率的作用。排除影響因素后,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)線的功率增加量見(jiàn)圖2。

圖2 A船軸功率功率增加量變化情況

由圖2可見(jiàn),在5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)前軸功率增加了4%～15%,之后增加至25%以上,整體呈逐漸增加的趨勢(shì)。在13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)船體污損情況進(jìn)行勘驗(yàn),此時(shí)距上次A船涂裝約24個(gè)月。結(jié)果見(jiàn)圖3。

當(dāng)軸功率增加量在25%以上,船體已經(jīng)出現(xiàn)了片狀的鈣質(zhì)污損且污損的面積比較大,螺旋槳已經(jīng)完全被鈣質(zhì)污損覆蓋。此時(shí)船體污損程度已經(jīng)比較嚴(yán)重,污損對(duì)船舶的航行性能已經(jīng)產(chǎn)生了較大影響。

圖3 A船水線下船體勘驗(yàn)情況

對(duì)B船浪、風(fēng)和排水量的修正,分析各項(xiàng)修正值在軸功率修正量中所占比重,見(jiàn)圖4。

圖4 B船浪、風(fēng)和排水量的修正比例

對(duì)于水線以上船體面積較大的船,由航速增加而產(chǎn)生的風(fēng)阻力迅速增加,部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示對(duì)風(fēng)阻力的修正甚至超過(guò)了波浪阻力增值的修正。排除影響因素后,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)曲線的功率增加量見(jiàn)圖5。

圖5 B船軸功率功率增加量變化情況

由圖5可見(jiàn),從4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)就開(kāi)始軸功率增加量達(dá)到15%以上,6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)始軸功率增加20%以上。在4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)該船水線以下污損情況進(jìn)行了勘驗(yàn),距船B上次涂裝約8個(gè)月,當(dāng)軸功率增加量在15%左右,主船體出現(xiàn)了點(diǎn)狀鈣質(zhì)污損,螺旋槳開(kāi)始出現(xiàn)鈣質(zhì)污損,見(jiàn)圖6。

3 結(jié)論

改變以往篩選監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以排除影響因素的方法,通過(guò)阻力修正擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的許用范圍,提高了污損監(jiān)測(cè)的效率。兩船計(jì)算結(jié)果表明,監(jiān)測(cè)結(jié)果同船體污損程度相符,對(duì)浪、風(fēng)和排水量的修正有效。

圖6 B船水線以下船體勘驗(yàn)情況

浪、風(fēng)和裝載等參數(shù)主要依靠船員定時(shí)填寫,數(shù)據(jù)的精度和容量有限;并且對(duì)波浪阻力增值的計(jì)算基于切片理論,精度難以控制。如何自動(dòng)準(zhǔn)確地獲取這些數(shù)據(jù)并進(jìn)一步提高修正精度是污損監(jiān)測(cè)下一步的主要研究方向之一。

［1］SCHULTZM P,BENDICK JA,HOLM ER.Economic impactof biofouling on a naval surface ship［J］.Biofouling,2011,27(1):87-98.

［2］張明明,趙 文,于世超.我國(guó)海洋污損生物的研究概況［J］.水產(chǎn)科學(xué),2008,27(10):545-546.

［3］WALKER M,ATKINS I.Surface ship hull and propeller foulingmanagement［C］∥The Royal Institution of Naval Architects.Bath,2007:9-12.

［4］ARRIBASF P.Somemethods to obtain the added resistance of a ship advancing in waves［J］.Ocean Engineering,2007(34):946-955.

［5］夏利清,范佘明.船舶在波浪中阻力增加預(yù)報(bào)研究進(jìn)展［J］.船舶,2005(6):6-8.

［6］杜麗華.實(shí)海域遠(yuǎn)洋漁船波浪増阻和失速預(yù)報(bào)［D］.武漢理工大學(xué),2012.

［7］蔣永旭,董國(guó)祥,高家鏞.肥大型運(yùn)輸船在波浪中阻力增加及失速預(yù)報(bào)［J］.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2010,33(2):104-109.

［8］趙 強(qiáng),蘇 甲,陳京普.集裝箱船風(fēng)阻力的數(shù)值模擬研究［C］∥第十一屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議, 2012:1008-1011.

［9］李舜杰,劉東風(fēng).艦船軸功率測(cè)量與應(yīng)用研究［J］.中國(guó)修船,2010,23(5):14-16.

［10］丁立斌.船舶裝載及波浪載荷對(duì)船舶推進(jìn)軸系的影響研究［D］.江蘇科技大學(xué),2012.

On the Fouling Monitoring Method of Ships Based on the Relationship of SHP and Speed

M IN Shao-song,ZHANG Zi-long,PENG Fei
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

Aiming at the problem of that the current foulingmonitoringmethod hasmany strict limitations of the voyage condition,amodified calculatingmethod of the running resistance of ships is presented,which can take into account the different situations ofwind,wave and displacement.The voyage data of two ships is collected and processed.The calculation results are compared with the real fouling condition,showing that the proposedmethod is feasible.An evaluation criteria of the foulingmonitoring for real ships is set forth.

shaft horsepower;speed;foulingmonitoring;resistance amendment

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.035

U672.7

A

1671-7953(2015)03-0146-04

2014-12-25

修回日期:2015-01-09

國(guó)防科研項(xiàng)目

閔少松(1978-),男,博士,講師

研究方向:艦船維修

E-mail:minshaosng@163.com