基于通航環(huán)境影響的船舶航速優(yōu)化及能效提升探討

◎ 夏輝煌 武漢理工船舶股份有限公司

船舶運輸是交通運輸的重要環(huán)節(jié)，全球約80%以上的貨物運輸必須經過船舶運輸。與陸路運輸和航空運輸相比，航道運輸在安全性、經濟性、環(huán)保性等方面具有突出優(yōu)勢。船舶能效是衡量船舶能源利用率的主要指標，船舶運行期間主機所提供的動力一方面用于克服船舶阻力，另一方面用于彌補船舶動力系統內摩擦所致的能量損失，所以其燃油消耗量遠高于船舶自身航行方面的需求[1]。船舶航行所消耗的能量在其總能量消耗量中僅占21.5%?？梢?，通過科學研究，降低因通航環(huán)境阻力和動力系統摩擦所致能量損耗，提升船舶能效，對于我國航運事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

1.環(huán)境因素對船體阻力的影響

1.1 風對船體阻力的影響

在通航環(huán)境下，風向及風力等級均不盡相同。國際上通常采用Beaufort風力等級劃分表描述通航環(huán)境下風力等級。具體見表1。一般情況下，當風力等級超出6級后，海面波浪波高可達5.5m及以上，船舶無法展開正常通航作業(yè)。為此，本文主要針對6級及以下的風力等級展開分析；為便于研究，將0～6級風力等級下風速均值分別確定為0kn、2kn、5kn、9kn、14kn、19kn、25kn。

表1 Beaufort風力等級劃分表

船舶航行期間，風力主要影響水面上層部分船舶的阻力，也就是空氣阻力，其取值主要與空氣密度、風向、相對風速等有關，可按下式[2]計算：

式（1）中：Ra為空氣阻力，為風力前進向受到船舶阻隔后產生的分力；Ca為空氣阻力系數，客船在0.45～0.70之間取值，貨船則在0.70～0.95之間取值，漁船在0.70～0.80之間取值，綜合考慮目標船舶規(guī)模及運行航速，其空氣阻力系數取0.80；ρa為空氣密度（kg/m3），取1.228kg/m3；Sa為船舶水線以上的正橫投影面積（m2），目標船舶滿載情況下水線以上正橫投影面積為835m2；Va為風與船舶的相對速度（m/s）。

當風速取0kn、2kn、5kn、9kn、14kn、19kn、25kn且風向角取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°時計算風阻，將計算結果導入Origin繪圖軟件繪制不同風向角下風速、船舶航行速度與風阻的關系圖。由此可知：①在風速既定且風力和船舶航行反方向時，船體承受的風阻隨航行速度的增大而增大；而在風力和船舶航行同向時，航速越小，船舶越容易產生前進推力[3]。②當航速既定且風力與船舶航行反方向時，船體承受的風阻隨航行速度的增大而增大；而當風力和船舶航行同向時，風速越高，船舶承受的阻力越小，甚至會對船體產生隨風速增大而增大的推力，推動船舶前行。③就風向角對船體阻力的影響而言，因不同風向角對應的正橫截面不盡相同，故風向角的改變必將造成風阻變化。通過分析不同風速、航速與風阻的關系看出，當風向角<90°時，船舶所承受的風阻隨航行速度及風速的增大而增大；而當風向角=90°時，應無橫風的影響，船舶前進向也無分力產生，故船舶承受的風阻隨航行速度的增大而增大；當風向角>90°時，風速越快，船體越易于受到風力推動，且這種推動效果在航速越小時越明顯。

1.2 波浪對船體阻力的影響

波浪的產生主要是風力的作用，故波浪特征值與風力條件存在密切關系。波浪參數也可通過Beaufort風力等級劃分表而得出，在0～12級風力等級下，海浪波高均值分別為0m、0.1m、0.4m、0.8m、1.5m、2.0m、3.5m、4.5m、6.0m、8.5m、10.5m、13.5m及至少14.0m；海浪波高最大值分別為0m、0.1m、0.3m、1.0m、1.5m、2.5m、4.0m、5.5m、7.5m、10.0m、12.5m、16.0m及至少20.0m。

為保證計算精度，選用Daidola等人通過水池模型試驗數據得出的波浪干擾力模型計算波浪對船體阻力的影響程度[4]，公式如下：

M.Olagnon等人根據雷達記錄數據所得出的具體海域不同海況下最大波浪波陡在時間域st和空間域st內的分布趨勢，具體見圖1。圖中空間域和時間域之間的函數關系為S1=0.650St+0.704。由圖可知，所在海域波陡分布于0～14%之間，且波陡超出10%后的記錄數據逐漸減少。考慮到波高和波長間無明確的直接關系，故本研究主要分析海浪波高和波向角對波浪增阻的影響。相應的，選取圖中波陡5%的密集范圍中間值的波浪展開不同風級波浪類型計算，并將計算結果代入式（2）后求得不同波浪浪高和波向角下的波浪增阻值，結果見表2。

圖1 最大波浪波陡分布趨勢圖

表2 不同風級波浪波長及試試驗系數計算結果

根據進一步分析，在波向角<90°時，波浪增阻值隨波浪浪高的增大而增大；在波向角≥90°后，波浪會對船舶產生推力，該推力值隨波浪浪高的增大而增大，對船舶前行起到推進作用。

2.船舶推進效率仿真分析

船舶推進系統由船舶主機、螺旋槳、傳動系統、軸系等構成，根據各系統之間的能量傳遞關系，通過AMESim系統對船舶能效展開仿真分析，以得出不同通航環(huán)境下的船舶主機能效。

2.1 仿真計算

結合船舶通航運行環(huán)境，設置風浪方向角、風力等級、船舶航行速度等參數值，對船舶推進系統展開仿真分析。航速設定為12kn，風力等級取2級，風浪方向角取0°。根據仿真結果，在初始時刻，向船舶施加達到目標航行速度所對應的阻力，借助推進系統達到船舶－螺旋槳之間的匹配，實際航行速度也與目標航速接近，螺旋槳推力與船體阻力平衡。船舶航行速度從負轉正并達到平衡狀態(tài)約耗時50s。主機轉速及輸出功率均從0開始增大，并在推進系統所需功率及轉速時達到穩(wěn)定。此時所對應的功率值即為相應通航環(huán)境下所產生和損耗的能量值。

根據前述分析結果，船體所承受的阻力隨風浪方向角的增大而減小，也就是說當風浪方向角取0°時，船舶主機所提供的功率達到最大。對此時的船舶航行狀態(tài)展開仿真，得出平衡狀態(tài)下船舶主機轉速和功率的對應關系，據此繪制主機轉速－功率關系圖見圖2，將船舶系統運行所需要的轉速－功率值與主機所能提供的轉速－功率值展開對比分析可知，船舶主機可以提供幾乎全部工況下推進系統所需的功率，僅風力等級為6級時的極個別工況無法提供系統運行所需功率。

圖2 轉速－功率關系圖

在船舶航行速度較低且主機轉速較低的情況下，主機只能提供維持船舶正常運行所需的功率；隨著主機轉速的提高，其已經無法提供達到目標航速的功率，如果繼續(xù)航行，必然造成主機損傷及船舶運行故障。

2.2 推進系統的推進效率

結合仿真結果，繪制推進系統推進效率隨著風浪方向角、風力等級、航行速度變動的趨勢圖，據此可知，當風浪方向角取0°時，船舶航行速度位于4～14kn之間，風力等級則在0～6級之間變化。在風力等級既定且位于5級以下時，船舶推進效率隨航速的增大而增大，直至航速增至13～14kn后，推進效率不增反降。此外，在船舶航行速度既定時，隨風浪方向角的變化，船舶推進效率的變化幅度不超出1%。

3.船舶航速優(yōu)化

船舶航行期間，航速的確定必須考慮諸多方面。航行速度越快，運輸時間越短，但船舶耗油量和二氧化碳排放量也隨之增大。為確定最優(yōu)航速，必須尋求使船舶能效最高且油耗、運行成本、船舶主機能效指數最低的方案。

進一步分析表明，在0級風、0°風浪方向角時，當船舶航行速度達到13.2kn時，船舶推進效率最高，船舶主機能效指數較低，為此，本文以13.2kn為基于通航環(huán)境影響的目標船舶最優(yōu)航速。

在6級風、0°風浪方向角時，隨著航行速度的加快，船舶推進效率呈快速增大趨勢，而船舶主機能效指數先降后升。當航行速度達到12.6kn時推進效率最高，而船舶主機能效指數最低。為此，以12.6kn為該通航環(huán)境影響下的目標船舶最優(yōu)航速。然而，結合船舶運行實際，在6級風力條件下，航行速度若超出12kn，則會面臨船舶主機無法提供充足功率且主機能效運營指數升高的情形，為此，在通航環(huán)境下遭遇6級風力時，建議調整航行路線；本文分析中也暫不考慮6級風力。

通過以上方法依次計算不同工況下船舶最優(yōu)航行速度，計算過程中，風力等級為0～5級，風浪方向角在0～180°之間變化。根據分析結果，最優(yōu)航行速度位于13.16～13.45kn之間，且風力等級越大，風浪方向角越小，航行速度波動也越劇烈。在以上最優(yōu)航速范圍內運行時船舶能效最高，且船舶主機能效運營指數較低。

4.結論

綜上所述，船舶航行速度與能效受到諸多因素的影響，結合Beaufort風力等級及風阻力計算公式得出不同風力作用下船舶所承受的風力增阻值，為不同風向角下船舶航行速度、風速及風向關系的確定提供了科學基礎。通過對船舶推進系統組成及能量傳遞關系的仿真分析，得出的不同風力等級、風浪方向角及航行速度下船舶主機輸出功率和軸系傳動效率的變化趨勢，為復雜通航環(huán)境下船舶航速優(yōu)化提供了可靠依據。