風(fēng)浪中船舶主機(jī)油耗預(yù)報(bào)方法

李傳慶，董國(guó)祥，許 賀，陳偉民

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

0 引 言

風(fēng)浪是影響船舶航行性能的主要環(huán)境因素之一，近年來(lái)在航運(yùn)業(yè)大力倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的背景下，為降低船舶油耗，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注船舶在風(fēng)浪中的能效，對(duì)此開(kāi)展了一系列研究[1]。例如：陳獻(xiàn)瑜[2]明確了船舶油耗指標(biāo)和油耗考核標(biāo)準(zhǔn)，即在進(jìn)行船舶油耗定額時(shí)應(yīng)綜合考慮船舶每小時(shí)油耗和每小時(shí)運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量2個(gè)指標(biāo)；ROH[3]考慮海況的影響，設(shè)定了以低油耗為目標(biāo)的航線；BIALYSTOCKI等[4]通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究得到了油耗曲線和航速曲線；孟曉東等[5]基于經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的最小油耗航速模型進(jìn)行了研究。波浪為影響船舶能效的主要環(huán)境因素之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)波浪增阻進(jìn)行了深入研究。例如：GERRITSMA等[6]提出采用輻射能法計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)增阻；FALTINSEN等[7]給出了短波中繞射增阻的近似計(jì)算公式；李傳慶[8]和DUAN等[9]采用短波中波浪反射增阻的近似計(jì)算公式計(jì)算了反射增阻。關(guān)于風(fēng)浪中船舶的功率和航速預(yù)報(bào)：國(guó)際拖曳水池會(huì)議(International Towing Tank Conference，ITTC)[10]給出了推薦的方法規(guī)程；LUO等[11]提出了一種計(jì)算海浪中的總阻力和失速的實(shí)用方法。

本文對(duì)船舶在不同海況下運(yùn)營(yíng)時(shí)的主機(jī)油耗進(jìn)行預(yù)報(bào)。首先，基于模型試驗(yàn)，根據(jù)ITTC 1978推薦的實(shí)船功率、航速預(yù)報(bào)方法對(duì)靜水中船舶的功率和航速進(jìn)行預(yù)報(bào)；其次，采用ITTC推薦的阻力、推力一致法對(duì)風(fēng)浪中船舶的功率進(jìn)行預(yù)報(bào)，其中，風(fēng)阻根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，波浪增阻采用基于切片法的輻射能法和近似公式計(jì)算；最后，結(jié)合主機(jī)的燃油特性，對(duì)不同風(fēng)速、波高和浪向下的船舶主機(jī)油耗進(jìn)行預(yù)報(bào)，給出計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行分析。

1 計(jì)算方法

給出靜水中的功率、風(fēng)浪導(dǎo)致的增阻、風(fēng)浪中的功率和轉(zhuǎn)速、風(fēng)浪中的主機(jī)油耗的計(jì)算方法。

1.1 靜水中的功率

靜水中的阻力、推力減額、推力、轉(zhuǎn)速和功率等是船舶在靜水中的快速性預(yù)報(bào)結(jié)果中的一部分。因此，根據(jù)靜水阻力試驗(yàn)和靜水自航試驗(yàn)結(jié)果，采用ITTC 1978推薦的方法預(yù)報(bào)實(shí)船的阻力、推力、轉(zhuǎn)速和功率等。

1.2 風(fēng)浪導(dǎo)致的增阻

(1)

式(1)中：ρa(bǔ)為空氣的密度,本文取ρa(bǔ)=1.226 kg/m3；AF為船舶橫向受風(fēng)面積；vrw為船舶與風(fēng)的相對(duì)速度；Cair為空氣阻力系數(shù)，可由試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)得出。

2)規(guī)則波中的波浪增阻RAW主要分為波浪反射導(dǎo)致的反射增阻RAWr和船舶運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)增阻RAWm，即

RAW=RAWr+RAWm

(2)

DUAN等[9]給出短波中波浪反射增阻RAWr的近似計(jì)算式為

(3)

式(3)中：ρ為水的密度；g重力加速度；ζa為波幅；k為波數(shù)；L為船長(zhǎng)；Fr為航速弗勞德數(shù)；αd為吃水頻率效應(yīng)；T為船舶吃水；a、b和c為與水線面有關(guān)的系數(shù)。

在采用切片法[12]計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，采用GERRITSMA等[6]提出的基于能量守恒原理的輻射能法計(jì)算船舶在波浪中受到的運(yùn)動(dòng)增阻。具體而言，船舶在一個(gè)遭遇周期內(nèi)搖蕩運(yùn)動(dòng)消耗的輻射能應(yīng)等于船舶運(yùn)動(dòng)增阻所做的功。波浪中船舶運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)增阻可表示為

(4)

式(4)中：k為波數(shù)；ωe為遭遇頻率；b′(x)為x處橫截面的阻尼；vza為相對(duì)速度。

由式(2)得到規(guī)則波中的波浪增阻傳遞函數(shù)，根據(jù)有義波高、周期和波浪譜類型等海況參數(shù)計(jì)算不規(guī)則波中的波浪增阻，即

隨著我國(guó)的食品安全標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不斷接軌，越來(lái)越多的食品企業(yè)在推進(jìn)食品安全體系建設(shè)與完善的路上已越走越穩(wěn)。而現(xiàn)階段獎(jiǎng)懲分明的市場(chǎng)環(huán)境，也讓食品行業(yè)企業(yè)不敢、不想、不愿“犯錯(cuò)”。種種向好態(tài)勢(shì)，讓我國(guó)食品安全未來(lái)可期。

(5)

式(5)中：S(ω)為波浪譜密度函數(shù)。

1.3 風(fēng)浪中的功率和轉(zhuǎn)速

將靜水阻力與風(fēng)浪增阻相加得到總阻力之后，根據(jù)T=R/(1-t)計(jì)算螺旋槳的推力，其中：R為總阻力;t為波浪中的推力減額，這里采用靜水中的推力減額。

結(jié)合敞水試驗(yàn)對(duì)考慮波浪效應(yīng)的推進(jìn)效率進(jìn)行分析，由實(shí)船螺旋槳的推力TS得到KT/J2的值等,其中：KT為螺旋槳推力系數(shù)；J為螺旋槳進(jìn)速系數(shù)。

結(jié)合靜水自航分析結(jié)果，可得到不規(guī)則波條件下的功率增加ΔPsea的計(jì)算式為

(6)

式(6)中：vs為船舶航速；η0為螺旋槳敞水效率；ηR為相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；ηH為船身效率。風(fēng)浪中的功率為靜水中的功率與風(fēng)浪中的功率增加之和。

螺旋槳轉(zhuǎn)速的計(jì)算式為

(7)

式(7)中：DP為螺旋槳直徑；1-w為伴流分?jǐn)?shù)，假設(shè)與靜水中的相同。

1.4 風(fēng)浪中的主機(jī)油耗

結(jié)合主機(jī)燃油消耗曲線和風(fēng)浪中的船舶功率預(yù)報(bào)結(jié)果，得到風(fēng)浪中船舶主機(jī)每海里油耗的計(jì)算式為

QM=PseaSFOC/vsea

(8)

式(8)中：SFOC為燃油消耗量，kg/(kW·h)；Psea為風(fēng)浪中船舶的功率；vsea為風(fēng)浪中船舶的航速。

2 預(yù)報(bào)結(jié)果和分析

2.1 計(jì)算工況

表1為船舶的主尺度參數(shù);表2為計(jì)算工況參數(shù)，其中浪向180°為迎浪方向。

表1 船舶的主尺度參數(shù)

表2 計(jì)算工況參數(shù)

2.2 失速預(yù)報(bào)

分別求取靜水中和波浪中的功率-航速曲線，由功率相等查出靜水中的航速v0和波浪中的航速vsea，船舶失速Δv為二者之差。表3為船舶在不同計(jì)算工況下的失速。對(duì)于該實(shí)船而言，其在工況BF4、BF5和BF6中的失速分別為1.0 kn、1.5 kn和2.5 kn。由此可看出，浪向?qū)κ俚挠绊戄^小。

表3 船舶在不同計(jì)算工況下的失速 kn

2.3 風(fēng)速影響分析

圖1為不同風(fēng)速下的功率-航速曲線；圖2為不同風(fēng)速下的油耗-轉(zhuǎn)速曲線。從圖1和圖2中可看出，隨著風(fēng)速的增大，油耗和功率均增加。

2.4 波高影響分析

圖3為不同波高下的功率-航速曲線；圖4為不同波高下的油耗-轉(zhuǎn)速曲線。從圖3和圖4中可看出，隨著波高的升高，油耗和功率均增加。

圖1 不同風(fēng)速下的功率航速曲線

圖2 不同風(fēng)速下的油耗轉(zhuǎn)速曲線

圖3 不同波高下的功率-航速曲線

圖4 不同波高下的油耗-轉(zhuǎn)速曲線

2.5 浪向影響分析

圖5為不同浪向下的功率-航速曲線；圖6為不同浪向下的油耗-轉(zhuǎn)速曲線。從圖5和圖6中可看出，隨著浪向在一定范圍內(nèi)變化，油耗和功率幾乎不變。

圖5 不同浪向下的功率-航速曲線

圖6 不同浪向下的油耗-轉(zhuǎn)速曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于風(fēng)浪中的船舶功率和航速預(yù)報(bào)得到了船舶失速情況，并對(duì)船舶在不同風(fēng)速、波高和浪向下的主機(jī)油耗進(jìn)行了預(yù)報(bào)。分析對(duì)比結(jié)果表明：

1)該船在計(jì)算工況BF4、BF5和BF6中的失速分別為1.0 kn、1.5 kn和2.5 kn；

2)在艏斜浪范圍內(nèi)，浪向?qū)τ秃牡挠绊懖幻黠@；

3)隨著波高的升高和風(fēng)速的增大，相同轉(zhuǎn)速下船舶的航速減小，且單位里程的油耗增加。