李傳慶，董國祥，許 賀，陳偉民

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，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，近年來在航運業(yè)大力倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的背景下，為降低船舶油耗，人們越來越關(guān)注船舶在風(fēng)浪中的能效，對此開展了一系列研究[1]。例如：陳獻瑜[2]明確了船舶油耗指標(biāo)和油耗考核標(biāo)準(zhǔn)，即在進行船舶油耗定額時應(yīng)綜合考慮船舶每小時油耗和每小時運輸周轉(zhuǎn)量2個指標(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]通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，研究得到了油耗曲線和航速曲線；孟曉東等[5]基于經(jīng)驗公式，對考慮不規(guī)則風(fēng)浪影響的最小油耗航速模型進行了研究。波浪為影響船舶能效的主要環(huán)境因素之一，國內(nèi)外學(xué)者針對波浪增阻進行了深入研究。例如：GERRITSMA等[6]提出采用輻射能法計算船舶運動增阻；FALTINSEN等[7]給出了短波中繞射增阻的近似計算公式；李傳慶[8]和DUAN等[9]采用短波中波浪反射增阻的近似計算公式計算了反射增阻。關(guān)于風(fēng)浪中船舶的功率和航速預(yù)報：國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference，ITTC)[10]給出了推薦的方法規(guī)程；LUO等[11]提出了一種計算海浪中的總阻力和失速的實用方法。

本文對船舶在不同海況下運營時的主機油耗進行預(yù)報。首先，基于模型試驗，根據(jù)ITTC 1978推薦的實船功率、航速預(yù)報方法對靜水中船舶的功率和航速進行預(yù)報；其次，采用ITTC推薦的阻力、推力一致法對風(fēng)浪中船舶的功率進行預(yù)報，其中，風(fēng)阻根據(jù)經(jīng)驗公式計算，波浪增阻采用基于切片法的輻射能法和近似公式計算；最后，結(jié)合主機的燃油特性，對不同風(fēng)速、波高和浪向下的船舶主機油耗進行預(yù)報，給出計算結(jié)果并進行分析。

1 計算方法

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)浪中的主機油耗的計算方法。

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)報結(jié)果中的一部分。因此，根據(jù)靜水阻力試驗和靜水自航試驗結(jié)果，采用ITTC 1978推薦的方法預(yù)報實船的阻力、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為空氣的密度,本文取ρa=1.226 kg/m3；AF為船舶橫向受風(fēng)面積；vrw為船舶與風(fēng)的相對速度；Cair為空氣阻力系數(shù)，可由試驗或經(jīng)驗得出。

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和船舶運動導(dǎo)致的運動增阻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；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]計算船舶運動的基礎(chǔ)上，采用GERRITSMA等[6]提出的基于能量守恒原理的輻射能法計算船舶在波浪中受到的運動增阻。具體而言，船舶在一個遭遇周期內(nèi)搖蕩運動消耗的輻射能應(yīng)等于船舶運動增阻所做的功。波浪中船舶運動導(dǎo)致的運動增阻可表示為

(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)計算不規(guī)則波中的波浪增阻，即

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

(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)合敞水試驗對考慮波浪效應(yīng)的推進效率進行分析，由實船螺旋槳的推力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)浪中的主機油耗

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

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)報結(jié)果和分析

2.1 計算工況

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

表1 船舶的主尺度參數(shù)

表2 計算工況參數(shù)

2.2 失速預(yù)報

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為船舶在不同計算工況下的失速。對于該實船而言，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

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

1)該船在計算工況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。