Lackenby與Raven淺水航速修正方法應(yīng)用對比

劉 剛， 李嘉寧， 郭世璽

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

合同航速是交船的重要指標，其優(yōu)劣直接影響到船舶的營運成本，船舶所有人或承租人對此高度重視，一旦出現(xiàn)合同航速不滿足合同指標要求的情況，輕則罰款，重則棄船，會嚴重影響造船廠的聲譽。合同航速通常在船舶試航階段通過航速試驗測量得到。由于船舶建造合同保證的航速是在無風、無浪且水深較深的理想狀態(tài)下得到的，而實船試航受風、浪、流和水深等因素的影響，因此需根據(jù)技術(shù)規(guī)格書約定的修正方法對航速結(jié)果進行修正。船舶能效設(shè)計指數(shù)(Energy Efficiency Design Index, EEDI)法規(guī)實施之后，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)將ITTC 2014和ISO 15016—2015航速修正方法作為EEDI航速修正的標準方法。這2種方法在淺水航速修正方面都沿用Lackenby淺水修正方法(以下簡稱Lackenby方法)，同時對測速的水深有相應(yīng)的規(guī)定。

2016年，荷蘭MARIN水池提出一種新的淺水航速修正方法,即Raven淺水航速修正方法(以下簡稱Raven方法);2017年，第28屆國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference, ITTC)提出將Raven方法納入ITTC 2017航速修正推薦標準，與已有的Lackenby方法共同存在。該方法可能會取代Lackenby方法成為ITTC唯一推薦的淺水航速修正方法。此外，ITTC推動ISO 15016—2015航速測量及修正標準的更新，并被IMO認可，作為EEDI航速修正的更新方法。

1 Raven方法

Raven方法從黏性阻力、波浪阻力和下沉效應(yīng)等3個角度對阻力進行修正，最終對收到功率進行修正。

1.1 深水黏性阻力計算

1) ITTC 1957平板摩擦阻力系數(shù)的計算式為

(1)

式(1)中：Re為雷諾數(shù)。

2) 形狀因子1+k的計算式為

1+k=1.017+20CB(B/LPP)2(TM/B)1/2

(2)

式(2)中：CB為方形系數(shù)；B為船寬；LPP為垂線間長；TM為中吃水。

3) 粗糙度阻力系數(shù)ΔCF的計算式為

(3)

式(3)中：kS為平均船體粗糙度，實船航速試驗一般取0.000 15 m;LWL為水線長，可近似取LPP。

4) 黏性阻力系數(shù)CV的計算式為

CV=1.06CF(1+k)+ΔCF

(4)

5) 深水黏性阻力RVdeep的計算式為

(5)

式(5)中：ρs為海水的密度；vs為對水速度；S為濕表面積。

1.2 淺水黏性阻力修正

淺水黏性阻力修正量ΔRV的計算式為

ΔRV=RVdeep0.57(TM/h)1.79

(6)

式(6)中：h為水面至海底的深度。

1.3 淺水下沉量計算

淺水下沉量d的計算式為

(7)

(8)

(9)

式(7)～式(9)中:d為淺水下沉量,d≥0;Frh為深度弗勞德數(shù)。

(10)

1.4 淺水附加排水體積計算

(11)

1.5 淺水下沉帶來的阻力增加計算

淺水下沉帶來的阻力增加量Rsink的計算式為

(12)

1.6 淺水航速修正功率計算

淺水航速修正功率PDdeep的計算式為

(13)

式(13)中:PDshallow為修正風、浪等因素之后的收到功率;ηDid為靜水船模試驗得到的螺旋槳推進系數(shù)。

1.7 深水黏性阻力計算有效性檢查

深水黏性阻力RVdeep計算有效性檢查的依據(jù)為

(14)

若深水黏性阻力計算超出限制，則Rvdeep取上限，重新從式(6)開始計算。

Raven方法首先計算淺水引起的阻力增加，由此修正消耗的收到功率。Lackenby方法通過計算淺水引起的航速損失比來修正航速。Raven方法的修正過程相對復(fù)雜，首先考慮淺水下沉引起的排水體積增加導致的阻力增加，其次考慮淺水效應(yīng)引起的黏性阻力增加，最后根據(jù)深水收到功率與淺水收到功率的差值求得淺水因素帶來的功率修正量。

2 Lackenby方法

Lackenby方法在BSRA、ITTC 2014和ISO 15016—2015等航速修正方法中得到廣泛應(yīng)用，其修正公式為

(15)

式(15)中：AM為水下中橫剖面面積；g為重力加速度；H為水深；v為船舶航速；Δv為淺水引起的船舶航速下降。式(15)應(yīng)用的前提為

(16)

即水下橫剖面面積不能小于水深平方的5%。以超大型油船(Veroy Large Crude Carrier, VLCC)在設(shè)計吃水下試航為例，當水深不大于156 m時，航速都可采用該計算式進行修正。

3 2種淺水航速修正方法對比

前文提到ITTC 2014采用的淺水航速修正方法是Lackenby方法，ITTC 2017采用的淺水航速修正方法是Raven方法。下面結(jié)合ITTC 2014和ITTC 2017進一步比較2種方法在試驗水深要求、應(yīng)用條件、輸入輸出數(shù)據(jù)和實船航速修正應(yīng)用等方面的差異。

3.1 試驗水深要求對比

表1為ITTC 2014與ITTC 2017試驗水深要求對比。通過對比2種淺水航速修正方法的適用吃水上限和深水標準可知，2種方法對試驗水深的要求完全一致。以VLCC在設(shè)計吃水下試航為例，ITTC 2014和ITTC 2017的深水標準為105 m，前文提到Lackenby方法的計算式有應(yīng)用前提，VLCC在設(shè)計吃水下試航時水深為156 m。由此可見，ITTC 2014和ITTC 2017進一步限制了淺水修正的水深范圍。

表1 ITTC 2014(Lackenby方法)與ITTC 2017(Raven方法)試驗水深要求對比

3.2 應(yīng)用條件對比

表2 2種淺水航速修正方法的應(yīng)用條件對比

3.3 輸入和輸出數(shù)據(jù)對比

表3為2種淺水航速修正方法的輸入和輸出數(shù)據(jù)對比，其中：Lackenby方法僅用到4個輸入數(shù)據(jù)，通過一個計算式得到淺水效應(yīng)導致的航速損失百分比，可進一步計算淺水效應(yīng)帶來的航速修正量；Raven方法用到16個輸入數(shù)據(jù)，包括中間輸出數(shù)據(jù)，共得到10個輸出數(shù)據(jù)，最終得到經(jīng)淺水效應(yīng)修正的深水收到功率。為方便對比，將Raven方法的收到功率修正量換算成航速來與Lackenby方法相對比。

表3 2種淺水航速修正方法的輸入和輸出數(shù)據(jù)對比

3.4 實船航速修正應(yīng)用對比

在ITTC 2014/ITTC 2017框架下選取30萬噸級VLCC、40萬噸級礦砂船和18萬噸級散貨船等3種典型船型的實船航速測量數(shù)據(jù)進行淺水航速修正計算，3種典型船型的測速吃水上下限見表4。當測速的水深大于等于淺水上限h1時，可采用相應(yīng)的淺水航速修正公式；當測速的水深大于深水標準h2時，即視為深水，不進行淺水航速修正。為進一步比較淺水航速修正差異，通過將水深分別增加h1+0.1和h2-0.1來進行淺水航速修正計算和結(jié)果比較。3種典型船型的吃水水深比與淺水航速修正量變化曲線見圖1～圖3，基本參數(shù)和測速試驗參數(shù)見表5，淺水航速修正數(shù)據(jù)見表6。

表4 3種典型船型的測速修正適用水深上下限

由圖1～圖3和表6可知：在ITTC 2014和ITTC 2017規(guī)定的淺水上限附近，Raven方法的航速修正量普遍低于Lackenby方法，30萬噸級VLCC的航速低0.07 kn，40萬噸級礦砂船的航速低0.15 kn，18萬噸級散貨船的航速低0.22 kn；在ITTC 2014和ITTC 2017規(guī)定的深水標準附近，Raven方法的航速修正量與Lackenby方法差異不大，Raven方法修正的30萬噸級VLCC的航速高0.02 kn，40萬噸級礦砂船的航速低0.02 kn，18萬噸級散貨船的航速低0.04 kn。

表5 3種典型船型的基本參數(shù)和測速試驗參數(shù)

表6 3種典型船型淺水航速修正數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文根據(jù)ITTC 2014和ITTC 2017航速修正標準，分別介紹了Lackenby方法和Raven方法的計算流程,對比了2種方法對航速試驗的水深要求、修正公式適用限制、輸入和輸出數(shù)據(jù)等。此外，根據(jù)實船航速試驗數(shù)據(jù)和淺水航速修正要求的水深上下限，分別計算和對比了2種淺水航速修正結(jié)果的差異性，主要得到以下結(jié)論：

1) Lackenby方法規(guī)定了最大水深的限制，該限制超出了ITTC 2014的水深標準，即ITTC 2014額外限制Lackenby方法的水深適用范圍。

2) Raven方法對最小吃水作出了相應(yīng)限制，規(guī)定下沉量導致的排水體積增加不超過5%，該限制超出了ITTC 2017對淺水上限的規(guī)定，即ITTC 2017額外限制Raven方法的淺水適用范圍。

3) Raven方法計算過程相對復(fù)雜，需要的輸入數(shù)據(jù)更多。

4) Lackenby方法計算得出淺水效應(yīng)下降的航速，Raven方法最終得出淺水效應(yīng)消耗的收到功率。

5) Raven方法相比Lackenby方法更加保守，在ITTC 2014規(guī)定的淺水上限附近，淺水效應(yīng)的修正量普遍偏小，對18萬噸級散貨船尤為明顯，差異達到0.22 kn。在ITTC 2014規(guī)定的深水標準附近，2種方法的差異比較接近，Raven方法對30萬噸級VLCC略微有利，Lackenby方法對40萬噸級礦砂船和18萬噸級散貨船略微有利。若采用Raven方法，為取得對船廠測速有利的結(jié)果，VLCC測速可在水深略小于深水標準的海域進行，而對于40萬噸級礦砂船和18萬噸級散貨船等在壓載吃水狀態(tài)下測速的肥大船舶而言，測速海域的水深應(yīng)盡可能深，在水深超過水深標準的海域測速。