基于模型試驗(yàn)的波浪中實(shí)船功率及失速預(yù)報(bào)方法對(duì)比

陸澤華，李建鵬，李傳慶

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海 200135)

0 引 言

自國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(Marine Environment Protection Committee,MEPC)提出的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)政策強(qiáng)制實(shí)施以來(lái)，船舶在波浪中的失速越來(lái)越受重視，這預(yù)示著失速?lài)?yán)重的船舶會(huì)被市場(chǎng)淘汰。對(duì)于船舶在海洋中航行時(shí)的功率增加情況，采用不規(guī)則波中的自航試驗(yàn)方法預(yù)報(bào)是最簡(jiǎn)單直接的，但所得結(jié)果沒(méi)有規(guī)則波中自航試驗(yàn)的結(jié)果精確，且只適用于某個(gè)特定的波譜。常規(guī)的方法是應(yīng)用線性疊加原理，利用規(guī)則波中的船舶響應(yīng)函數(shù)和不規(guī)則波譜預(yù)報(bào)不規(guī)則波中的功率增加情況。第26屆國(guó)際拖曳水池會(huì)議(International Towing Tank Conference,ITTC)推薦了3種計(jì)算船舶在波浪中的功率增加的方法，即扭矩轉(zhuǎn)速法(Torque and Revolution Method,QNM)、推力轉(zhuǎn)矩法(Thrust and Revolution Method,TNM)和阻力推力一致法(Resistance Thrust Identity Method，RTIM)，其中：前2種方法需利用船模在波浪中自航試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合各物理參數(shù)的無(wú)因次頻率響應(yīng)曲線預(yù)報(bào)船舶在實(shí)際海況下的失速；第三種方法在假定波浪中的自航因子與靜水中的自航因子一致的情況下，采用模型在規(guī)則波中的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合ITTC雙參數(shù)譜預(yù)報(bào)船舶在實(shí)際海況下的阻力增加、功率增加和失速情況。

在波浪中的船模自航試驗(yàn)研究方面：何惠明[1]對(duì)一艘船艇進(jìn)行了波浪中的自航試驗(yàn)研究，得到了規(guī)則波中自航因子的變化曲線；何惠明[2]詳細(xì)闡述了船模規(guī)則波自航試驗(yàn)的方法，給出了規(guī)則波中自航因子頻率響應(yīng)曲線的數(shù)據(jù)整理方法和不規(guī)則波中收到功率的譜分析統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法；TANIZAWA等[3]采用一套船用柴油機(jī)模擬裝置進(jìn)行了波浪中的自航試驗(yàn)研究；陸志妹等[4]為某船設(shè)計(jì)了水動(dòng)力節(jié)能裝置，并采用強(qiáng)迫自航法開(kāi)展了迎浪規(guī)則波中的船模自航試驗(yàn)；李傳慶等[5]對(duì)某2萬(wàn)噸級(jí)船舶開(kāi)展了規(guī)則波中的自航試驗(yàn)，研究了自航因子隨波長(zhǎng)船長(zhǎng)比的變化規(guī)律。

在實(shí)船功率增加及失速預(yù)報(bào)研究方面：張文旭[6]參照EEDI計(jì)算導(dǎo)則對(duì)某集裝箱船進(jìn)行了波浪中的失速預(yù)報(bào)；李嘉換等[7]根據(jù)IMO推薦的典型海況下的失速系數(shù)計(jì)算臨時(shí)導(dǎo)則對(duì)某超大型油船進(jìn)行了失速預(yù)報(bào)；封培元等[8]對(duì)一艘采用吊艙推進(jìn)的豪華郵船開(kāi)展了波浪中的自航模型試驗(yàn)，根據(jù)ITTC推薦方法中的QNM進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，預(yù)報(bào)目標(biāo)船在實(shí)際海域中的功率增加值；李傳慶等[9]采用ITTC推薦方法中的RTIM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)，分析了風(fēng)速、波高和浪向?qū)Υ笆俚挠绊憽?/p>

本文對(duì)波浪中的自航試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，對(duì)ITTC推薦的3種實(shí)船功率增加及失速預(yù)報(bào)方法進(jìn)行對(duì)比分析，并根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)TNM和RTIM提出經(jīng)驗(yàn)修正方式，結(jié)合各方法的預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比，為實(shí)際工程應(yīng)用提出建議。

1 波浪中的自航試驗(yàn)

1.1 船型參數(shù)和螺旋槳參數(shù)

本文以19 000載重噸多用途船為試驗(yàn)船型，按照模型與實(shí)船尺度相似和重力相似準(zhǔn)則，在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所拖曳水池內(nèi)開(kāi)展波浪自航試驗(yàn)。船型參數(shù)見(jiàn)表1，螺旋槳參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 19 000載重噸多用途船船型參數(shù)

表2 螺旋槳參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

基于前期完成的規(guī)則波中的阻力試驗(yàn)，采用強(qiáng)迫自航法進(jìn)行波浪中的自航試驗(yàn)，共設(shè)定4個(gè)航速，對(duì)應(yīng)的實(shí)船航速為11.5 kn、13.0 kn、14.5 kn和16.0 kn，在各航速下開(kāi)展3個(gè)強(qiáng)制力試驗(yàn)，即Z=0、Z=FD和Z=1.5FD,其中:Z=0即船模自航點(diǎn)；Z=FD即實(shí)船自航點(diǎn)，F(xiàn)D為自航試驗(yàn)中為滿(mǎn)足各種力都成縮尺比的三次方關(guān)系而增加的摩擦阻力修正值。試驗(yàn)測(cè)量螺旋槳的推力、扭矩、轉(zhuǎn)速和強(qiáng)制力。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

將通過(guò)波浪中的自航試驗(yàn)測(cè)得的各航速下波浪中平均推力Tw(ω)、平均扭矩Qw(ω)和平均轉(zhuǎn)速nw(ω)與靜水自航試驗(yàn)中的結(jié)果T0、Q0和n0的差值按式(1)～式(3)無(wú)量綱化，得到各增量的無(wú)因次系數(shù)。各頻率響應(yīng)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 各頻率響應(yīng)曲線

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中，KTw(ω)為推力增加系數(shù)；Tw(ω)為波浪中平均推力，T0為靜水推力，ζa為波幅，B為船寬，L為船長(zhǎng)，ρ為水的密度，g為重力加速度；KQw(ω)為扭矩增加系數(shù)，Qw(ω)為波浪中平均扭矩，Q0為靜水扭矩，D為螺旋槳直徑；Knw(ω)為轉(zhuǎn)速增加系數(shù)，nw(ω)為波浪中平均轉(zhuǎn)速，n0為靜水轉(zhuǎn)速，V為船速。

2 波浪中實(shí)船功率預(yù)報(bào)

2.1 QNM

QNM根據(jù)靜水和規(guī)則波中的自航試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用摩擦阻力修正FD和規(guī)則波中的扭矩和轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線，假設(shè)規(guī)則波中螺旋槳的扭矩增加值和轉(zhuǎn)速增加值與入射波波幅的平方成正比關(guān)系，由式(4)和式(5)計(jì)算得到不規(guī)則波中螺旋槳的扭矩平均增值ΔQm和轉(zhuǎn)速平均增值Δnm。

(4)

(5)

式(4)和式(5)中：ΔQ(ω)m和Δn(ω)m為對(duì)應(yīng)于波浪頻率ω和波幅ζa的規(guī)則波中在實(shí)船自航點(diǎn)上測(cè)得的螺旋槳模型的扭矩平均增值和轉(zhuǎn)速平均增值。

將不規(guī)則波中的螺旋槳模型的扭矩平均增值ΔQm和轉(zhuǎn)速平均增值Δnm代入式(6),可計(jì)算得到不規(guī)則波中的船模功率平均增加值為

ΔPm=2π[(Qm0+ΔQm)·(nm0+Δnm)-Qm0·nm0]

(6)

假定螺旋槳負(fù)荷對(duì)功率增加沒(méi)有影響，可用縮尺比的3.5次方關(guān)系，將船模功率增加值換算為實(shí)船功率增加值。

QNM的優(yōu)點(diǎn)在于只需進(jìn)行靜水和規(guī)則波中的自航試驗(yàn)，不必考慮螺旋槳的性能，即不需要進(jìn)行螺旋槳敞水試驗(yàn)。

2.2 TNM

TNM先進(jìn)行靜水中的自航試驗(yàn)，測(cè)得槳模推力Tm0、轉(zhuǎn)速nm0和船模伴流分?jǐn)?shù)ωm0，再進(jìn)行規(guī)則波中的自航試驗(yàn)。根據(jù)得到船模在不規(guī)則波中的功率的方式的不同，可將TNM分為2種方式：

1)第26屆ITTC會(huì)議推薦方式，記為T(mén)NM_ITTC方式；

2)上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的研究人員根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的方式，記為T(mén)NM_SSSRI方式。

假定規(guī)則波中推力增加值和轉(zhuǎn)速增加值與入射波波幅的平方成正比關(guān)系，由式(7)和式(8)計(jì)算得到不規(guī)則波中螺旋槳模型的推力平均增值ΔTm和轉(zhuǎn)速平均增值Δnm。

(7)

(8)

式(7)和式(8)中：ΔT(ω)m和Δn(ω)m分別為對(duì)應(yīng)于波浪頻率ω和波幅ζa的規(guī)則波中在實(shí)船自航點(diǎn)上測(cè)得的螺旋槳模型的推力平均增值和轉(zhuǎn)速平均增值。

螺旋槳模型在不規(guī)則波中的總推力Tm和轉(zhuǎn)速nm為在靜水中的值與不規(guī)則波中的平均增值之和，結(jié)合敞水試驗(yàn)進(jìn)行考慮波浪效應(yīng)的自航因子分析，可得到推力系數(shù)KT為

(9)

式(9)中:Dm為螺旋槳模型直徑。在螺旋槳敞水特性曲線KT-J曲線上，根據(jù)推力系數(shù)KT值查得進(jìn)速系數(shù)值。

1)TNM_ITTC方式。第26屆ITTC會(huì)議給出了TNM預(yù)報(bào)實(shí)船功率增加的推薦方法，在螺旋槳敞水特性曲線Kp-J曲線上，根據(jù)進(jìn)速系數(shù)J值查得功率系數(shù)值KP，結(jié)合靜水自航試驗(yàn)得到的船模靜水伴流分?jǐn)?shù)ωm0，可得不規(guī)則波中功率Pm為

(10)

2)TNM_SSSRI方式。上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的研究人員根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，在螺旋槳敞水特性曲線η0-J曲線上根據(jù)進(jìn)速系數(shù)J值查得敞水效率η0，結(jié)合靜水自航試驗(yàn)分析結(jié)果，可得船模在不規(guī)則波中的功率Pm為

(11)

式(11)中:ηR為螺旋槳相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；ηH為船身效率，ηH=(1-t)/(1-w)。

由以上2種方式均可得到船模在不規(guī)則波中的功率Pm。由此，不規(guī)則波中的功率平均增值ΔPm可由不規(guī)則波中的功率值Pm減去靜水中的功率值Pm0得到，即ΔPm=Pm-Pm0。

TNM假定波浪中的螺旋槳特性和自航因子與靜水中的相同，但波浪與靜水中的自航因子并不是完全相同的，僅在小幅波環(huán)境中才可近似認(rèn)為兩者相同。采用TNM預(yù)報(bào)實(shí)船功率增值，除了靜水和波浪中的自航試驗(yàn)以外，還需靜水中的螺旋槳敞水性能結(jié)果。

2.3 RTIM

RTIM根據(jù)不規(guī)則波中的總阻力與螺旋槳推力一致，結(jié)合螺旋槳敞水特性確定螺旋槳的收到功率，需進(jìn)行規(guī)則波中的阻力試驗(yàn)、靜水中的阻力試驗(yàn)、靜水中的螺旋槳敞水試驗(yàn)和靜水中的自航試驗(yàn)。與TNM相似，根據(jù)得到船模在不規(guī)則波中的功率的方式的不同，可將RTIM分為第26屆ITTC會(huì)議推薦方式(記為RTIM_ITTC方式)和上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所經(jīng)驗(yàn)方式(記為RTIM_SSSRI方式)。

假定規(guī)則波中的阻力增加值與入射波波幅的平方成正比關(guān)系，由式(12)計(jì)算得不規(guī)則波中的阻力平均增值ΔRm。

(12)

式(12)中:ΔR(ω)m為對(duì)應(yīng)于波浪頻率ω和波幅ζa的規(guī)則波中測(cè)得的船模阻力增值。不規(guī)則波中的總阻力Rm=Rm0+ΔRm。

總推力為

(13)

式(13)中:tm0為槳模在靜水中的推力減額。式(13)中的推力減額應(yīng)為槳模在波浪中的推力減額，由于假定波浪中的自航因子與靜水相同，因而可用靜水中的推力減額代替。由式(14)得到KT/J2，在螺旋槳敞水特性曲線KT/J2-J曲線上便可查得進(jìn)速系數(shù)J值。

(14)

式(14)中:Vm為船模速度。

1)RTIM_ITTC方式。第26屆ITTC會(huì)議給出了RTIM預(yù)報(bào)實(shí)船功率增加的推薦方法，與TNM類(lèi)似，在螺旋槳敞水特性曲線KP-J曲線上，根據(jù)進(jìn)速系數(shù)J值查得功率系數(shù)值KP，結(jié)合靜水自航試驗(yàn)得到的船模靜水伴流分?jǐn)?shù)ωm0，可由式(10)計(jì)算得到不規(guī)則波中的功率Pm。

2)RTIM_SSSRI方式。上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的研究人員根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，與TNM類(lèi)似，在螺旋槳敞水特性曲線η0-J曲線上，根據(jù)進(jìn)速系數(shù)J值查得敞水效率η0，結(jié)合靜水自航試驗(yàn)分析結(jié)果，可得船模在不規(guī)則波中的功率Pm為

(15)

式(15)中:ηR為螺旋槳相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；ηH為船身效率，ηH=(1-t)/(1-w)。

由以上2種方式均可得到船模在不規(guī)則波中的功率Pm，從而不規(guī)則波中的功率增加平均值ΔPm=Pm-Pm0。

RTIM同樣需假定波浪中的螺旋槳特性和自航因子與靜水中的相同。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于僅需進(jìn)行靜水中的阻力試驗(yàn)、自航試驗(yàn)、螺旋槳敞水試驗(yàn)和規(guī)則波中的阻力試驗(yàn)，不需要進(jìn)行規(guī)則波中的自航試驗(yàn)，大大降低了試驗(yàn)成本。該方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可考慮其他阻力增值的成分，如考慮風(fēng)阻和操縱的影響。

針對(duì)TNM和RTIM，區(qū)別于ITTC推薦方式采用推進(jìn)系數(shù)計(jì)算功率，SSSRI方式采用敞水效率和推進(jìn)效率計(jì)算功率，考慮了相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率的影響，使得實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果更為精確。

2.4 目標(biāo)船功率預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)19 000載重噸多用途船的迎浪規(guī)則波中的阻力試驗(yàn)和規(guī)則波中的自航試驗(yàn)結(jié)果，采用ITTC雙參數(shù)譜，分別由各種方法預(yù)報(bào)19 000載重噸多用途船的實(shí)船功率，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同海況下各方法預(yù)報(bào)實(shí)船功率結(jié)果對(duì)比

3 船舶失速預(yù)報(bào)

在相同功率下，船舶在波浪中所能達(dá)到的航速比在靜水中所能達(dá)到的航速小，稱(chēng)之為船舶失速。根據(jù)不規(guī)則波中的實(shí)船功率結(jié)果，在功率航速曲線上，由功率相等可插值得到靜水中的航速和波浪中的航速。各方法的失速預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。

表3 各方法的失速預(yù)報(bào)結(jié)果 單位：kn

圖3 各海況下各方法預(yù)報(bào)實(shí)船失速結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以19 000載重噸多用途船為對(duì)象開(kāi)展波浪中的自航試驗(yàn)，并進(jìn)行自航因子分析。分別采用ITTC推薦的QNM、TNM和RTIM，以及對(duì)TNM和RTIM提出的經(jīng)驗(yàn)修正方法，預(yù)報(bào)目標(biāo)船在波浪中的實(shí)船功率及失速。QNM和TNM需開(kāi)展船模在波浪中的自航試驗(yàn)，并結(jié)合規(guī)則波中的阻力試驗(yàn)結(jié)果預(yù)報(bào)失速；RTIM則是假定波浪中的自航因子與靜水中的一致，利用船模在規(guī)則波中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行失速預(yù)報(bào)。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：采用各種方法所得失速預(yù)報(bào)結(jié)果在低海況下基本相近，均在可接受的精度范圍內(nèi)，其差異隨海況的增加而增大；在波高較大的情況下，預(yù)報(bào)結(jié)果一般偏大，這是假定波浪為線性引起的。本文提出的RTIM修正方式(RTIM_SSSRI方式)考慮了相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率的影響，適當(dāng)減小了預(yù)報(bào)值，且預(yù)報(bào)結(jié)果與QNM和TNM更接近，證明了其合理性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間和成本，同時(shí)考慮多因素影響，建議采用本文提出的RTIM修正方式進(jìn)行實(shí)船失速預(yù)報(bào)。