PCTC最佳縱傾模型試驗(yàn)

黃珍平， 馬衛(wèi)星， 陳曉瑩

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135; 2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

PCTC最佳縱傾模型試驗(yàn)

黃珍平1， 馬衛(wèi)星1， 陳曉瑩2

(1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135; 2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

浮態(tài)控制是一種簡單有效的船舶航運(yùn)節(jié)能方式。通過對(duì)一艘萬車汽車運(yùn)輸船(Pure Car/Truck Carrier,PCTC)進(jìn)行不同縱傾下的阻力和自航試驗(yàn)，分析縱傾對(duì)船舶阻力和推進(jìn)的影響，以得到不同航速下的最佳縱傾。試驗(yàn)結(jié)果顯示,高速時(shí)最佳縱傾相對(duì)于平吃水螺旋槳收到功率減小1%～2%，低速時(shí)減小7%～8%。

汽車運(yùn)輸船;節(jié)能;最佳縱傾;模型試驗(yàn)

0 引 言

節(jié)能減排是目前航運(yùn)業(yè)的熱點(diǎn)問題,浮態(tài)節(jié)能技術(shù)通過調(diào)整船舶的縱傾來改善船舶的水動(dòng)力性能,是一種簡單有效的節(jié)能方式,已逐漸被人們重視。隨著航運(yùn)公司要求控制燃油消耗成本、提高經(jīng)濟(jì)效益和減少廢氣排放，部分船舶采取減速航行的方式，偏離原有的設(shè)計(jì)狀態(tài)使得快速性能變差，該情況可通過調(diào)整縱傾來改善。此外，有時(shí)在船舶實(shí)際配載中不能完全保證船舶處于最佳設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)，并且對(duì)于有球艏的船型，吃水的變化會(huì)導(dǎo)致球艏的作用不同，存在功率消耗最小的最佳縱傾狀態(tài)。目前已有通過模型試驗(yàn)獲得集裝箱船最佳縱傾的研究[1]，其效果已在實(shí)船試航中得到驗(yàn)證[2]。

通過對(duì)一艘萬車汽車運(yùn)輸船(Pure Car/Truck Carrier,PCTC)進(jìn)行滿載狀態(tài)下的最佳縱傾模型試驗(yàn)，研究相關(guān)船型在最佳縱傾下的節(jié)能效果。保持排水量為設(shè)計(jì)排水量不變，進(jìn)行不同船速、不同縱傾下的船舶阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析縱傾對(duì)船舶阻力和推進(jìn)影響，得到該船型的最佳縱傾。

1 試驗(yàn)簡介

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工況

實(shí)船和船模滿載狀態(tài)下的主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)采用木質(zhì)船模，未安裝舭龍骨，采用激流絲方式，采用設(shè)計(jì)槳，槳前安裝有節(jié)能定子，試驗(yàn)船模見圖1。選取試驗(yàn)的縱傾范圍為-2～3 m，間隔為1 m，其中正值表示艉傾，負(fù)值表示艏傾。為更加接近實(shí)際情況，試驗(yàn)各縱傾吃水保持等排水量，在排水量始終等于滿載排水量的前提下,調(diào)整艏艉吃水至所需縱傾。按等平均吃水的方法確定對(duì)應(yīng)縱傾下的艏艉吃水dF，dA(見圖2)，然后保持該縱傾不變，將船體上下移動(dòng)(等量改變艏艉吃水Δd)，直至排水量與設(shè)計(jì)吃水的排水量一致，此時(shí)等排水量的縱傾吃水為dF+Δd，dA+Δd,最終確定的試驗(yàn)吃水工況見表2。

表1 船舶主要參數(shù)

縱傾/m艉吃水/m艏吃水/m排水量/m3濕表面積/m2-29．08511．085468668871-19．54810．548468668941010．00010．000468669029110．4429．442468669088210．8768．876468669097311．3068．306468669087

1.2試驗(yàn)內(nèi)容與分析方法

試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所船模拖曳水池中進(jìn)行，水池的長、寬和水深分別為192 m，10 m及4.2 m。對(duì)船舶進(jìn)行表2中6個(gè)吃水下的阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)。該船的設(shè)計(jì)航速為16 kn，所取試驗(yàn)航速范圍對(duì)應(yīng)實(shí)船12～17 kn。阻力試驗(yàn)分析方法采用二因次法，利用1957年國際拖曳水池會(huì)議(International Towing Tank Conference,ITTC)推薦的摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式換算至實(shí)船。自航試驗(yàn)采用強(qiáng)迫自航法，外推方法采用1978年ITTC推薦的換算方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)阻力試驗(yàn)結(jié)果預(yù)報(bào)實(shí)船的有效功率見圖3，將平吃水各速度下的有效功率取為1，則其他縱傾下的有效功率相對(duì)值見表3。由圖3和表3可知:在15～17 kn的高速段,艏傾1 m時(shí)的有效功率最低，阻力性能最好，阻力較平吃水降低2%～3%;在低速段,艏傾2 m時(shí)的阻力性能最好，阻力較平吃水降低4%～6%。艉傾對(duì)阻力性能不利，在各航速下隨著艉傾的逐漸增大,有效功率均逐漸增加。

航速/kn-2m-1m0m1m2m3m120．9400．9521．0001．0281．0871．181130．9530．9591．0001．0241．0821．188140．9630．9631．0001．0271．0771．196150．9720．9671．0001．0241．0671．195160．9830．9741．0001．0151．0601．180170．9880．9811．0001．0121．0701．158

根據(jù)自航試驗(yàn)預(yù)報(bào)實(shí)船的螺旋槳收到功率及自航因子(見圖4～圖10),同樣將平吃水各速度下的螺旋槳收到功率取為1，則其他縱傾下的螺旋槳收到功率相對(duì)值(見表4)。可知在航速為16 kn和17 kn時(shí),艏傾1 m的收到功率最低，其他航速下是艏傾為2 m時(shí)收到功率最低。各航速下隨艉傾的增大收到功率逐漸上升。高速段合理選擇縱傾相對(duì)平吃水可節(jié)能1%～2%，低速段節(jié)能甚至可達(dá)7%～8%。

推進(jìn)效率隨縱傾的變化(見圖5)，低速段從艏傾到艉傾，推進(jìn)效率呈下降趨勢(shì)，但在艏傾1 m處的推進(jìn)效率有一個(gè)局部谷點(diǎn)；高速段平吃水或小艉傾的推進(jìn)效率最高，但與艏傾差別不大，艉傾繼續(xù)增大將導(dǎo)致推進(jìn)效率逐漸減低。圖6～圖8顯示了推力減額、伴流分?jǐn)?shù)及船身效率隨縱傾的變化，推力減額整體隨艉傾的增大而降低，但在低速段艏傾1 m處推力減額最大；伴流分?jǐn)?shù)在各速度下均隨艉傾的增大而降低；受推力減額和伴流分?jǐn)?shù)的影響，船身效率整體隨艉傾增大也有下降的趨勢(shì)，但呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，尤其在低速段波動(dòng)較大，高速段各縱傾則差別不大，受推力減額影響,船身效率隨速度升高而降低。圖9和圖10顯示敞水效率和相對(duì)旋轉(zhuǎn)隨縱傾的變化，隨著艉傾的增大,敞水效率先增大后減小，平吃水時(shí)敞水效率最高；相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率隨縱傾變化波動(dòng)較小，但隨著航速的降低而降低。

航速/kn縱傾/m-2-10123120．9170．9601．0001．0461．1071．251130．9370．9791．0001．0471．1141．261140．9580．9851．0001．0421．1061．251150．9760．9851．0001．0351．0931．231160．9890．9831．0001．0231．0821．206170．9940．9841．0001．0061．0771．182

3 分析討論

3.1縱傾對(duì)阻力影響

在同一航速下，縱傾變化后有2個(gè)因素會(huì)對(duì)阻力變化造成影響,分別是濕表面積的變化和阻力系數(shù)的變化。采用二因次法分析，摩擦阻力系數(shù)在同一航速、不同縱傾下可認(rèn)為相等(忽略水線長的略微變化)，故阻力系數(shù)變化主要是剩余阻力系數(shù)的變化。計(jì)算各縱傾下濕表面積相對(duì)于平吃水濕表面積的變化(見表5)，12 kn和16 kn航速下實(shí)船剩余阻力系數(shù)Cr和總阻力系數(shù)Ct的相對(duì)值見圖11。從表5和圖11可知，12 kn航速下總阻力在艏傾2 m時(shí)最低，此時(shí)剩余阻力系數(shù)和濕表面積均最小。從表3和表5可知,剩余阻力系數(shù)對(duì)總阻力的影響更大；16 kn航速下，艏傾為1 m的剩余阻力系數(shù)最小，雖然此時(shí)的濕表面積并非最小，綜合起來總阻力仍為最低，由表3可知,16 kn航速下艏傾相對(duì)于平吃水阻力的降低2%，阻力降低中濕表面積的變化占很大比重，尤其是艏傾2 m時(shí)總阻力系數(shù)與平吃水幾乎一致，阻力的降低主要是由于濕表面積的減小。艉傾時(shí)的阻力增加則主要來自于剩余阻力系數(shù)的升高。

3.2最佳縱傾

最佳縱傾的選擇以最終螺旋槳的收到功率作為評(píng)判，需同時(shí)考慮阻力與推進(jìn)效率。從各推進(jìn)因子的圖中可知，縱傾會(huì)對(duì)推進(jìn)效率造成影響，而其中受縱傾影響最大的推進(jìn)效率部分為船身效率，具體體現(xiàn)在對(duì)推力減額和伴流分?jǐn)?shù)的影響上。船舶縱傾造成槳軸傾斜，使得槳盤面處進(jìn)流發(fā)生改變。隨著艏傾變?yōu)轸簝A，推力減額和伴流分?jǐn)?shù)均有下降的趨勢(shì)。最終試驗(yàn)結(jié)果顯示:在高速段艏傾為1 m時(shí)，螺旋槳收到功率最??；低速段則是在艏傾為2 m時(shí)螺旋槳收到功率最小。與直接根據(jù)有效功率來選取最佳縱傾的結(jié)果基本一致，這是由于本試驗(yàn)中阻力的影響占主導(dǎo)作用。由圖5可知,艏傾與平吃水比較，高速時(shí)推進(jìn)效率差別較小，最佳縱傾基本由阻力決定；低速時(shí)，艏傾為2 m的阻力和推進(jìn)效率均最優(yōu)，但還是阻力相對(duì)平吃水的改善量更大。

表5 各縱傾下濕表面積的變化

需指出,艏傾為1 m和2 m僅是在試驗(yàn)方案中優(yōu)選的最佳縱傾，事實(shí)上在高速段，艏傾在0～2 m間、低速段艏傾>2 m的某個(gè)縱傾是收到功率最小的最佳縱傾，但由于試驗(yàn)的局限性難以獲得，可通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Conputational Fluid Dynamics,CFD)方法對(duì)船舶的縱傾進(jìn)行更加深入地優(yōu)化。航速為16 kn時(shí)，各縱傾的船?？傋枇ο禂?shù)Ctm相對(duì)值的CFD計(jì)算與試驗(yàn)的對(duì)比(見圖12)，可知與試驗(yàn)符合度較好。CFD數(shù)值模擬可更多地應(yīng)用到船舶最佳縱傾的研究中。此外,還需注意此處提到的最佳縱傾僅是理想情況，實(shí)船航行中由于配載等其他因素的限制，需綜合考慮,選擇合理的縱傾。

4 結(jié) 語

通過對(duì)萬車PCTC進(jìn)行最佳縱傾船模試驗(yàn)、阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)可知:在高航速段,艏傾1 m為最佳縱傾，相對(duì)平吃水可節(jié)能1%～2%;在低航速段,艏傾2 m為最佳縱傾，相對(duì)平吃水可節(jié)能7%～8%。在最佳縱傾的選取中,阻力的影響要大于推進(jìn)效率，低速艏傾對(duì)阻力性能的改善主要?dú)w因于剩余阻力系數(shù)的降低，高速時(shí)除剩余阻力外，濕表面面積的變化也占很大比重；推進(jìn)效率隨艉傾的增加整體有下降的趨勢(shì)，推進(jìn)效率成分中船身效率受縱傾影響最大；CFD方法可更多地應(yīng)用到船舶最佳縱傾的研究中，以彌補(bǔ)模型試驗(yàn)的不足。

[1] 馬衛(wèi)星，車霖源，崔健.浮態(tài)節(jié)能技術(shù)在某型集裝箱船上的應(yīng)用[J].中國航海，2015，38(3)：112-115.

[2] 伍銳，季盛，文逸彥.集裝箱船浮態(tài)優(yōu)化與球艏改型節(jié)能技術(shù)的實(shí)船驗(yàn)證[C]//中國造船工程學(xué)會(huì)船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)測試技術(shù)學(xué)組.聚焦應(yīng)用 支撐創(chuàng)新——船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)測試技術(shù)學(xué)組2016年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:中國造船工程學(xué)會(huì)，2016.

ExperimentalStudyonOptimalTrimofaPCTC

HUANGZhenping1，MAWeixing1，CHENXiaoying2

(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China； 2. Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

The trim optimization is a simple but effective method for ship energy saving. Resistance and self-propulsion tests are performed for a PCTC model with different trim settings. Influences of the trim on ship resistance and propulsion are analyzed based on the model test results. The optimal trim of the ship at different speeds is obtained. Results show that at high speed, the delivered power for the ship with optimal trim is reduced by 1%～2% compared to the same ship on even keel, and the decrease is 7%～8% when ship at low speed.

PCTC; energy saving; optimal trim; model test

U661.73

A

2017-02-14

黃珍平(1989—),男,江西新余人，助理研究員,碩士,主要從事船舶水動(dòng)力研究。

1674-5949(2017)03-0007-05