彭言峰

（南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇南通 226013）

0 引言

快速性是船舶重要的性能之一，與船舶的經(jīng)濟(jì)性和使用性密切相關(guān)。船舶快速性是在給定主機(jī)功率時(shí)，表征船舶航速高低的一種性能。在新船的設(shè)計(jì)階段往往需要能夠?qū)Υ翱焖傩阅苓M(jìn)行迅速而準(zhǔn)確的預(yù)估。船舶大型化和高速化的發(fā)展對(duì)船舶快速性能的要求也越來(lái)越高。

目前，研究船舶快速性能的方法主要有計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）法和船模試驗(yàn)法。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，CFD已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)尺度的模擬計(jì)算方面，CFD技術(shù)也具有一定的精度。

在研究船舶快速性的問(wèn)題上，船模試驗(yàn)一直是最主要的方法，在船舶設(shè)計(jì)中所采用的系列船型資料、回歸公式和圖譜等，絕大多數(shù)都是通過(guò)船模試驗(yàn)得來(lái)的。船模試驗(yàn)是根據(jù)相似理論按一定縮尺比制作槳模和船模，并在試驗(yàn)水池中進(jìn)行試驗(yàn)。預(yù)報(bào)實(shí)船的性能通常需要進(jìn)行船模阻力試驗(yàn)、自航試驗(yàn)和螺旋槳敞水試驗(yàn)，其牽涉面廣、影響因素多，如附加阻力、伴流的尺度效應(yīng)、船型、螺旋槳敞水效率以及各船模試驗(yàn)水池積累的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料等。船模試驗(yàn)是研究船舶快速性最普遍、最有效的方法。

1 船模試驗(yàn)方法

船模試驗(yàn)法主要分為船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳敞水試驗(yàn)和船模自航試驗(yàn)。

1.1 船模阻力試驗(yàn)

船體周圍的流動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜，船舶在靜水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力主要有2種：1）由興波引起的壓力分布的改變所產(chǎn)生的興波阻力；2）由于水為黏性流體，在船體周圍形成邊界層，在船體表面產(chǎn)生的摩擦阻力；3）由于水的黏性引起船體前后壓力不平衡而產(chǎn)生的黏壓阻力。

船模阻力試驗(yàn)主要研究船模在水中等速直線航行時(shí)所受的作用力，得到船模阻力與航速的變化關(guān)系，進(jìn)一步分析確定各阻力成分，從而得到實(shí)船阻力數(shù)值，并進(jìn)而得到實(shí)船有效功率。船模阻力試驗(yàn)要在船模自航試驗(yàn)前進(jìn)行，為分析自航試驗(yàn)結(jié)果、預(yù)報(bào)實(shí)船性能提供必要的數(shù)據(jù)。

1.2 螺旋槳敞水試驗(yàn)

螺旋槳是船舶重要的推進(jìn)裝置，螺旋槳敞水試驗(yàn)主要用于研究和分析螺旋槳的水動(dòng)力性能，通過(guò)測(cè)量螺旋槳的推力

T

和扭矩

Q

，可以得到螺旋槳在不同進(jìn)速下的推力系數(shù)

k

、轉(zhuǎn)矩系數(shù)

k

和敞水效率

η

，并將結(jié)果繪制成螺旋槳敞水性征曲線。

螺旋槳敞水試驗(yàn)也需要在船模自航試驗(yàn)前進(jìn)行，為分析預(yù)報(bào)實(shí)船各種推進(jìn)效率提供螺旋槳性能數(shù)據(jù)。

1.2 船模自航試驗(yàn)

船模自航試驗(yàn)主要分析研究船模自航因子和各種推進(jìn)效率成分。對(duì)于給定的船舶，根據(jù)船模的阻力性能、螺旋槳的敞水性征曲線及自航試驗(yàn)結(jié)果即可進(jìn)行實(shí)船性能預(yù)估，得出主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和船速三者之間的關(guān)系，進(jìn)而給出實(shí)船在一定功率下的預(yù)估航速。

船模自航試驗(yàn)是在船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳敞水試驗(yàn)之后進(jìn)行的。

2 船舶主要要素及船模試驗(yàn)

2.1 船舶主要參數(shù)

以某主流船型為研究對(duì)象，該船主要要素如下：垂線間長(zhǎng)

L

為294.4 m；水線間長(zhǎng)

L

為284.63 m；型寬

B

為50 m；壓載工況下的艏吃水

T

為6.3 m，艉吃水

T

為9.85 m；排水體積

▽

為93 302.4 m；舭龍骨面積

S

為141.3 m；螺旋槳直徑

D

為9.6 m；槳葉數(shù)

Z

為4；盤(pán)面比

A

/

A

為0.4；螺距比

P

/

D

為0.765 6；主機(jī)功率

P

為12 710 kW；轉(zhuǎn)速

N

為62.3 r/min；軸系效率

η

為0.99。

2.2 船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照實(shí)船與船?？s尺比41∶1制作船模并進(jìn)行試驗(yàn)，先后進(jìn)行船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳敞水試驗(yàn)、和船模自航試驗(yàn)。

船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳敞水試驗(yàn)和船模自航試驗(yàn)的結(jié)果分別見(jiàn)表1～表3。

表1 船模阻力試驗(yàn)

表2 螺旋槳敞水試驗(yàn)

表3 船模自航試驗(yàn)

3 1978 ITTC單槳船實(shí)船性能預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)換算方法

基于船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳敞水試驗(yàn)和船模自航試驗(yàn)的結(jié)果，目前有很多方法可預(yù)估實(shí)船性能，例如Δ

C

法、Δ

w

法和(1+

x

)

K

法等。1978年十五屆國(guó)際船模拖曳水池會(huì)議提出確定了《1978ITTC單槳船實(shí)船性能的預(yù)估方法》，本文將按照此方法進(jìn)行該船的實(shí)船性能預(yù)估。

3.1 實(shí)船阻力換算

首先進(jìn)行實(shí)船阻力換算。船體形狀是相當(dāng)復(fù)雜的三因次物體，船體阻力采用三因次方法進(jìn)行換算。船模阻力三因次法將阻力分為黏性阻力和興波阻力兩部分，興波阻力與傅汝德數(shù)有關(guān)，黏性阻力與雷諾數(shù)和船體形狀密切相關(guān)。粘壓阻力系數(shù)

C

與摩擦阻力系數(shù)

C

之比是一常數(shù)

k

。在船模阻力試驗(yàn)尺度效應(yīng)換算的三因次分析方法中，計(jì)算的重點(diǎn)是如何確定船舶的形狀因子。

在實(shí)船中，該船船體采用安裝舭龍骨來(lái)減少船舶的橫搖，但船模試驗(yàn)是在不安裝舭龍骨下進(jìn)行的。

實(shí)船的總阻力系數(shù)

C

計(jì)算公式為

式中：

C

為船?？傋枇ο禂?shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）；

C

為船模摩擦阻力系數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式（3）；

C

為實(shí)船摩擦阻力系數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式（4）；Δ

C

為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式（5）；

C

為空氣阻力系數(shù)，計(jì)算公式見(jiàn)式（6）；（1

+k

）為形狀因子，可由最小二乘法確定，計(jì)算公式見(jiàn)式（7）；

S

為實(shí)船的濕表面積；

S

為舭龍骨面積。

式中：

R

為船模阻力；

ρ

為水的密度；

S

為船模濕表面積；

V

為船模速度。

式中：

Re

為船模雷諾數(shù)。

式中：

Re

為實(shí)船雷諾數(shù)。

式中：

k

為船體表面粗糙度，

k

=150×10m；

L

為水線長(zhǎng)度。

式中：

A

為水線面以上船體部分在中橫剖面上的投影面積；

S

為水線面以下船體濕表面積。

式中：

y

為常數(shù)；

Fr

為傅汝德數(shù)。船模的興波阻力系數(shù)

C

計(jì)算公式為

實(shí)船的興波阻力系數(shù)

C

按照傅汝德假定和船模興波阻力系數(shù)

C

相等，即

C

=

C

。實(shí)船的總阻力

R

計(jì)算公式為

式中：

ρ

為海水密度；

S

為實(shí)船濕表面積；

V

為實(shí)船速度。實(shí)船有效功率

P

計(jì)算公式為

換算求得的實(shí)船總阻力

R

和有效功率

P

見(jiàn)表4。

表4 實(shí)船總阻力和有效功率

3.2 實(shí)槳敞水性征曲線

對(duì)于螺旋槳敞水試驗(yàn)，槳模和實(shí)槳在進(jìn)速系數(shù)相等條件下進(jìn)行，而雷諾數(shù)超過(guò)臨界雷諾數(shù)。不同雷諾數(shù)對(duì)螺旋槳性能的影響稱為尺度作用。在實(shí)際應(yīng)用中，尺度作用僅適用于超臨界區(qū)的情況。螺旋槳的尺度作用對(duì)扭矩影響較大，對(duì)推力影響較小。

實(shí)槳敞水效率

η

計(jì)算公式為

式中：

V

為進(jìn)速；

K

為實(shí)槳推力系數(shù)；

K

為實(shí)槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)。根據(jù)槳模敞水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行尺度修正后求得實(shí)槳的性能。根據(jù)ITTC推薦的修正方法，在同一進(jìn)速系數(shù)

J

下，實(shí)槳推力系數(shù)和槳模推力系數(shù)之間關(guān)系見(jiàn)式（12），實(shí)槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)和槳模轉(zhuǎn)矩系數(shù)之間關(guān)系見(jiàn)式（13）。

式（12）和式（13）中：

K

為槳模推力系數(shù)；

K

為槳模轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Δ

K

為尺度作用對(duì)推力系數(shù)的影響，表達(dá)式見(jiàn)式（14）；Δ

K

為尺度作用對(duì)轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響，表達(dá)式見(jiàn)式（15）。

式中：

Z

為螺旋槳葉數(shù)；

D

為螺旋槳直徑；

P

為距槳心0.75

R

處的螺距；

b

為距槳心0.75

R

處切面弦長(zhǎng)；

t

為距槳心0.75

R

處切面厚度；

R

為距槳心0.75

R

處的雷諾數(shù)；

K

為實(shí)槳的表面粗糙度，一般取30×10m。

在螺旋槳模型的敞水試驗(yàn)中，將模型試驗(yàn)的敞水性征曲線修正至實(shí)槳的敞水性征曲線（見(jiàn)圖1）。

圖1 實(shí)槳敞水性征曲線

3.3 實(shí)船推進(jìn)因子

船模自航試驗(yàn)采用強(qiáng)制自航法，根據(jù)船模自航試驗(yàn)得到的螺旋槳轉(zhuǎn)速

N

、推力

T

和轉(zhuǎn)矩

Q

數(shù)據(jù)，分析得到自航因子、各種推進(jìn)效率成分及實(shí)船性能。不考慮尺度作用的情況下，實(shí)船的推力減額分?jǐn)?shù)

t

計(jì)算公式為

式中：

t

為船模的推力減額分?jǐn)?shù)；

T

為船模的推力；

R

為船模的阻力。實(shí)船的伴流分?jǐn)?shù)

w

計(jì)算公式為

船模的伴流分?jǐn)?shù)

w

計(jì)算公式為

式中：

J

為槳模進(jìn)速系數(shù)；

N

為槳模轉(zhuǎn)速；

D

為槳模直徑。

3.4 實(shí)船推進(jìn)效率

實(shí)船的船身效率

η

計(jì)算公式為

不考慮尺度作用的情況下，實(shí)船的相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率

η

計(jì)算公式為

式中：

η

為船模的相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；

K

為敞水轉(zhuǎn)矩系數(shù)，根據(jù)推力系數(shù)

K

用等推力法查螺旋槳敞水性征曲線得到；

K

為船后螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)，根據(jù)式（21）進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)槳的敞水效率

η

，可根據(jù)繪制實(shí)槳的

J

-(

K

/

J

) 曲線得到；實(shí)船的推進(jìn)效率

η

和推進(jìn)功率

P

計(jì)算公式分別為

式中：

P

為有效功率。不同

V

情況下實(shí)船推進(jìn)因子、推進(jìn)效率及航速預(yù)估情況見(jiàn)表6。

表6 實(shí)船推進(jìn)因子、推進(jìn)效率及航速預(yù)估

3.5 實(shí)船航速預(yù)估

由表6中的航速

V

和對(duì)應(yīng)的功率

P

可繪制航速-功率曲線（見(jiàn)圖2）。該船主機(jī)功率

P

為12 710 kW，軸系功率

η

為0.99，螺旋槳收到功率

P

為12 583 kW，在該功率下對(duì)應(yīng)的實(shí)船航速為15.91 kn。

圖2 實(shí)船航速預(yù)估

4 實(shí)船試航試驗(yàn)

實(shí)船快速性能最終能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須經(jīng)過(guò)實(shí)船試航試驗(yàn)證。本船在建造完成后，進(jìn)行實(shí)船試航試驗(yàn)驗(yàn)證。為保證實(shí)船試航試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要選擇合適的試驗(yàn)條件、合理的試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析方法，得到實(shí)船在標(biāo)準(zhǔn)工況下的航速。實(shí)船試航試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，并與按1978ITTC法預(yù)估的結(jié)果做了比較。

表7 實(shí)船試航驗(yàn)證

5 結(jié)論

本文對(duì)該船進(jìn)行了船模阻力試驗(yàn)、螺旋槳敞水試驗(yàn)、船模自航試驗(yàn)，并采用1978年ITTC單槳船實(shí)船性能預(yù)估方法進(jìn)行了該船的實(shí)船性能預(yù)估，并通過(guò)實(shí)船試航試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行最終驗(yàn)證。通過(guò)結(jié)果對(duì)比，1978年ITTC法預(yù)估的結(jié)果與實(shí)船試航試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近，符合實(shí)際。