陳勝蘭

（滬東中華造船有限公司上海200129）

ISO與BSRA航速修正方法計(jì)算實(shí)例分析

陳勝蘭

（滬東中華造船有限公司上海200129）

ISO航速修正方法；BSRA航速修正方法；計(jì)算實(shí)例修正結(jié)果對(duì)比分析

介紹了ISO與BSRA航速修正方法，并通過(guò)采用ISO和BSRA航速修正方法分別對(duì)計(jì)算實(shí)例進(jìn)行航速修正，得出ISO修正方法可以獲得更高的航速指標(biāo)，并對(duì)ISO航速修正方法的合理性和適用性提出建議。

0 引言

船舶的航速是一個(gè)很重要的性能指標(biāo)，關(guān)系到能否滿足規(guī)格書(shū)的要求和順利交船。實(shí)船航速測(cè)試無(wú)法在船模試驗(yàn)的理想環(huán)境條件下進(jìn)行，需要采用適當(dāng)?shù)暮剿傩拚椒?，把試航?shù)據(jù)修正到理想狀態(tài)下以檢驗(yàn)是否滿足合同的要求。一直以來(lái)，國(guó)外的一些組織和專(zhuān)家一直致力于實(shí)船航速修正方法的研究，并在這一領(lǐng)域取得了重大的進(jìn)展。90年代日本向ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）提交了一份標(biāo)準(zhǔn)建議書(shū)，這份建議書(shū)被ISO采納，ISO組織在分析現(xiàn)有的修正方法后，以這份推薦的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)制定了一套實(shí)船航速修正方法ISO/FDIS 15016［1］。第23界國(guó)際水池會(huì)議（ITTC）［2］專(zhuān)門(mén)成立了實(shí)船測(cè)試專(zhuān)家委員會(huì)，對(duì)現(xiàn)有的一些修正方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析比較，會(huì)議的結(jié)論是沒(méi)有權(quán)威性的修正方法，并認(rèn)為ISO/FDIS 15016修正方法是最全面的。本文簡(jiǎn)單介紹了ISO和BSRA［3］（英國(guó)船舶研究協(xié)會(huì)）航速修正方法，通過(guò)采用ISO和BSRA方法分別對(duì)計(jì)算實(shí)例進(jìn)行修正，對(duì)兩種修正方法的修正結(jié)果進(jìn)行分析比較。

1 ISO航速修正方法介紹

要記錄船舶的對(duì)地速度、軸功率、螺旋槳轉(zhuǎn)速、相對(duì)風(fēng)速風(fēng)向，以及水深、波高、波的平均周期和入射波角度，并記錄水溫和海水密度，空氣溫度，同時(shí)觀察并記錄舵角和漂移的角度，準(zhǔn)備好螺旋槳敞水曲線圖（KQ、KT-J），并繪制載荷系數(shù)－進(jìn)速系數(shù)圖（τ-J）。

根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先計(jì)算出此航速下總阻力?？傋枇Φ挠?jì)算公式為：

式中：ρ為海水密度；D為螺旋槳直徑；1-t為推力減額系數(shù)。這些可以由數(shù)據(jù)資料或船模試驗(yàn)得到。此外，由記錄的軸功率數(shù)據(jù)可得到螺旋槳收到功率PD=PsηT，ηT為軸系效率；然后可得出扭矩系數(shù)KQ=500PDηR/π/ρ/D5/n3；再根據(jù)KQ，可由準(zhǔn)備的螺旋槳敞水曲線圖（KQ、KT-J）和載荷系數(shù)－進(jìn)速系數(shù)（τ-J），查得螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J和載荷系數(shù)τ，見(jiàn)圖1。

圖1 螺旋槳性能曲線圖

于是，可以得到平均對(duì)水速度Vs=nDJ/（1-w）m。式中：（1-w）m為來(lái)回兩趟的平均伴流分?jǐn)?shù)。每趟的伴流分?jǐn)?shù)計(jì)算公式為：1-w=nDJ/VG，VG為測(cè)得的船舶對(duì)地速度。

1.1 對(duì)阻力增加的修正

由于外界環(huán)境如風(fēng)，波浪、操舵、漂移、水溫、鹽度和排水量等的影響，使船舶的阻力有所增加，因此需要對(duì)船舶的阻力進(jìn)行修正。

1.1.1 風(fēng)作用引起的阻力增加RAA

其計(jì)算公式為：

式中：ρA為空氣密度，kg/m3；

AXV為橫剖面水上部分面積，m2；

VWR為相對(duì)風(fēng)速，m/s；

CAA0為頂風(fēng)條件下的風(fēng)阻系數(shù)；

K（ψWR）為根據(jù)相對(duì)風(fēng)向角ψWR所得到的風(fēng)阻方向系數(shù)，可以通過(guò)船模的風(fēng)洞試驗(yàn)得到。

1.1.2 波浪引起的阻力增加RAW

其計(jì)算公式為：

式中：χ為波浪入射角，rad；

α為單元入射波的方向，rad；

f為單元入射波的頻率，Hz；

G為入射波的方向分布函數(shù)；

S（f）為入射波的頻率分布函數(shù)；

Δr/ζA2=Δr1/ζA2+Δr2/ζA2為規(guī)則波中阻力增加響應(yīng)函數(shù)，Δr1/ζA2表示規(guī)則波中輻射波作用下的波阻增加響應(yīng)函數(shù)，Δr2/ζA2表示規(guī)則波中衍射波作用下的波阻增加響應(yīng)函數(shù)。

1.1.3 操舵引起的阻力增加Rδδ

此時(shí)需要考慮舵面積、操舵引起的推力減額分?jǐn)?shù)、流向舵的有效水流速度、舵角等。

1.1.4 漂移作用引起的阻力增加Rββ

其計(jì)算公式為：

式中：β指漂角，可以根據(jù)理論方法或其他方法來(lái)確定，rad；d為水深，m。

1.1.5 水溫和鹽度影響引起的阻力增加RAS

需要考慮合同指定的水溫和鹽度狀態(tài)下和試驗(yàn)水溫和鹽度狀態(tài)下的水密度和摩擦阻力系數(shù)。

1.1.6 排水量偏差較大時(shí)引起的阻力增加RADIS

試驗(yàn)狀態(tài)的排水量應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)，排水量偏差不應(yīng)超過(guò)指定排水量的2%，縱傾偏差不應(yīng)超過(guò)1%的船中吃水。因此,總阻力增加為：ΔR=RAA+RAW+Rδδ+Rββ+RAS+RADIS。阻力的增加對(duì)載荷系數(shù)的影響為：修正后的載荷系數(shù)為：τ1=τ-Δτ。根據(jù)τ1的值,利用螺旋槳性能圖（圖1），可以得到螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J1和扭矩系數(shù)KQ1。螺旋槳轉(zhuǎn)速n1可由公式n1=n×J/J1得到，在圖2中以n1和KQ1繪制扭矩系數(shù)—螺旋槳轉(zhuǎn)速曲線KQ1-n1（●）。利用該曲線可以得出轉(zhuǎn)速為n的扭矩系數(shù)KQ′（n），根據(jù)KQ′的值再結(jié)合圖1，可得到螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J′和載荷系數(shù)τ′。

圖2 扭矩系數(shù)—螺旋槳轉(zhuǎn)速曲線

由于阻力增加對(duì)船速的修正

JH和JL是根據(jù)螺旋槳敞水曲線圖分別對(duì)應(yīng)于KQH和KQL的進(jìn)速系數(shù)。

因此船舶在真空無(wú)波浪下以轉(zhuǎn)速n航行時(shí)的船舶對(duì)地速度VG′、螺旋槳收到功率PD′以及軸功率PS′分別為：

1.2 對(duì)潮流影響的修正

螺旋槳轉(zhuǎn)速為n（i）時(shí)，第（i+1）次的航速表示為：

平均潮流速度為：

式中：n（i+1）和n（i）分別為螺旋槳在第（i+1）和第i個(gè)航次中的轉(zhuǎn)速Hz；

VG″（i+1）和VG′（i+1）為船舶在第（i+1）個(gè)航次和第i個(gè)航次的對(duì)地速度m/s。

由VFM和時(shí)間可以得到時(shí)間歷時(shí)圖，在歷時(shí)圖中可以得到每個(gè)航次的中間時(shí)刻的潮流速度VF。因此，潮流的影響對(duì)船速的修正為：VS′=VG′+VF。

1.3 對(duì)空氣影響的修正

船舶在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下載荷系數(shù)的增量ΔτA計(jì)算公式為：

增加后的載荷系數(shù)τ2=τ′+ΔτA。由τ2并根據(jù)螺旋槳性能曲線圖（圖1），可以得到相應(yīng)的螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J2和扭矩系數(shù)KQ2。螺旋槳轉(zhuǎn)速n2由公式n1=n×J′/J2得到。

根據(jù)計(jì)算出來(lái)的一系列n2和KQ2繪制扭矩系數(shù)－螺旋槳轉(zhuǎn)速曲線KQ2-n2（◎），見(jiàn)圖2。從而，可以得到轉(zhuǎn)速為n時(shí)的扭矩系數(shù)KQ0。船舶在無(wú)風(fēng)條件下的航速修正量ΔVS′計(jì)算公式為：

因此，船舶在無(wú)風(fēng)無(wú)浪無(wú)潮流條件下以轉(zhuǎn)速n、航行時(shí)的船速VS″、螺旋槳收到功率PD0和軸功率PS0分別為：

1.4 淺水修正

ISO采用Lackenby法進(jìn)行淺水修正［4］，公式為：

式中：ΔVS為淺水損失的航速；

VS為船速；

AM為水下橫剖面面積；

h為水深；

g為重量加速度。

2 BSRA航速修正方法介紹

BSRA（The British Ship Research Association）修正方法即英國(guó)船舶研究協(xié)會(huì)修正法目前正被廣泛采用，這是一種相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用的修正方法［5］，主要考慮風(fēng)的影響、流的影響和淺水效應(yīng)影響，但未考慮對(duì)浪的修正。根據(jù)試航的實(shí)際情況，海況常常比較惡劣，因此，結(jié)合第24屆ITTC所薦對(duì)浪的修正方法，這樣綜合得出的修正結(jié)果更加全面。

BSRA修正方法根據(jù)測(cè)得的相對(duì)風(fēng)向角，通過(guò)常見(jiàn)船型風(fēng)阻系數(shù)與相對(duì)風(fēng)向角曲線查得風(fēng)阻系數(shù)，船模與實(shí)船之間的邊界層速度的區(qū)別以及風(fēng)速表的實(shí)際位置和自由流層高之間的區(qū)別得到修正系數(shù)，再將該修正系數(shù)乘以風(fēng)阻系數(shù)。根據(jù)修正后的風(fēng)阻系數(shù)和船舶水線以上橫向的最大面積，由風(fēng)阻計(jì)算公式得到風(fēng)的阻力，再可以得到風(fēng)的有效功率，最后根據(jù)推進(jìn)系數(shù)得到為克服風(fēng)的阻力而額外增加的功率。根據(jù)測(cè)得的螺旋槳收到功率扣除為克服風(fēng)阻的額外功率，故對(duì)風(fēng)的影響進(jìn)行了修正。對(duì)淺水效應(yīng)的影響同樣采用Lackenby法修正方法。

3 計(jì)算實(shí)例修正結(jié)果對(duì)比分析

ISO修正方法以螺旋槳敞水性能曲線和螺旋槳負(fù)載條件為基礎(chǔ)，根據(jù)螺旋槳載荷系數(shù)建立力的平衡。在ISO 15016中有對(duì)一單槳油輪滿載狀態(tài)試航航速修正的計(jì)算實(shí)例，該試航水深500 m左右，故不需考慮淺水修正。對(duì)此試航數(shù)據(jù)同時(shí)采用BSRA修正方法，BSRA修正方法以有效功率曲線為基礎(chǔ)，并假定推進(jìn)效率不隨螺旋槳載荷變化，BSRA未考慮對(duì)浪的修正，此處采用ITTC 24th會(huì)議推薦的公式對(duì)浪進(jìn)行修正［5］。通過(guò)ISO提供的計(jì)算實(shí)例，對(duì)照采用BSRA方法進(jìn)行修正，能更直觀地分析對(duì)比ISO和BSRA修正方法。ISO和BSRA修正過(guò)程如表1和表2，根據(jù)ISO和BSRA修正方法的修正結(jié)果，繪制如圖3功率—航速曲線圖。

另對(duì)一現(xiàn)有大型散貨輪壓載狀態(tài)試航航速運(yùn)用ISO和BSRA方法分別進(jìn)行修正，從而進(jìn)一步對(duì)比分析修正結(jié)果。該輪所處海況波高為1m，采用ISO修正方法需要知道試航海域的波譜、入射波方向分布和波阻增加響應(yīng)函數(shù)等，故波浪增加阻力采用ISO15016計(jì)算實(shí)例中同樣波高1m的波浪阻力。由于最后的航速是取每趟順流和逆流的平均值，故不考慮潮流的修正。ISO和BSRA修正過(guò)程如表3和表4，根據(jù)修正結(jié)果，繪制如圖4功率—航速曲線圖。

從以上兩個(gè)計(jì)算實(shí)例的修正過(guò)程和修正結(jié)果以及功率—航速曲線圖3和圖4，可以看出ISO航速修正曲線和BSRA航速修正曲線趨勢(shì)很接近，但I(xiàn)SO在指定功率下得到的修正航速更高，即更容易滿足合同規(guī)定的航速要求。ISO能獲得更好的性能指標(biāo)，究其原因，從修正過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)ISO在考慮風(fēng)阻和波浪阻力時(shí)都更高于BSRA對(duì)風(fēng)阻的計(jì)算和ITTC 24 th推薦公式對(duì)波浪阻力的計(jì)算，ISO對(duì)風(fēng)阻的修正使用的風(fēng)阻系數(shù)和風(fēng)阻方向系數(shù)是從船模風(fēng)洞試驗(yàn)中得到的，且ISO對(duì)波浪修正的計(jì)算考慮了波浪入射角、入射波頻率、入射波方向等，考慮的因素比較多也更具體，這些使ISO修正補(bǔ)償?shù)暮剿俑唷?/p>

表1 ISO 15016提供的修正實(shí)例修正過(guò)程

表2 BSRA方法航速修正結(jié)果

圖3 功率—航速曲線圖（Pso-Vso）

圖4 功率—航速曲線圖（Pd-Vs）

表3 ISO修正過(guò)程如下：

表4 BSRA修正過(guò)程如下：

續(xù)表4

4 結(jié)語(yǔ)

ISO航速修正方法以螺旋槳負(fù)載條件和螺旋槳敞水性能為基礎(chǔ)，根據(jù)載荷系數(shù)建立力的平衡。該方法涉及了對(duì)風(fēng)、波浪、潮流、淺水、操舵、漂移、水溫的修正，考慮較全面。ISO以螺旋槳的敞水性能為基礎(chǔ)，修正與船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)密切相關(guān)。與BSRA相比，ISO修正方法可以獲得更高的航速指標(biāo)。但I(xiàn)SO考慮的修正因素里，對(duì)風(fēng)阻的修正需要通過(guò)船模的風(fēng)洞試驗(yàn)得到風(fēng)阻系數(shù)和風(fēng)阻方向系數(shù)；對(duì)波浪的修正需要知道波浪入射角、入射波方向分布和阻力增加響應(yīng)函數(shù)等；對(duì)操舵的修正需要知道一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。這些因素操作起來(lái)過(guò)于復(fù)雜，難以用于實(shí)際。因此，BSRA修正方法相對(duì)更易于實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，筆者也期待國(guó)際上盡早建立更合理、全面并易于運(yùn)用的修正方法。

［1］ISO 15016.Ship and marine technology—guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data［S］.2002．

［2］The Specialist Committee on Speed and Power Trials.Final report and recommendations to the 23rd ITTC［A］，Proceedings of 23rd ITTC［C］.2002．

［3］Thomson G.R.BSRA Standard Method of Speed Trial Analysis［R］．BSRA Report NS 466，1978．

［4］Lacken by，H.Note on the effect of shallow water on ship resistance［R］．BSRA Report No．337，British Shipbuilding Research Association．1963.

［5］The Specialist Committee on Speed and Power Trials.Final report and recommendations to the 24th ITTC［A］，Proceedings of 24th ITTC［C］.2005.

Case study on ISO and BSRA speed correction methods

CHEN Sheng-lan
（Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.Ltd.，Shanghai 200129，China）

ISO Speed Correction Method；BSRA Speed Correction Method；correction comparison with case study

The ISO and BSRA speed correction methods are applied to a practical example in this paper.The comparison shows that the ISO method can obtain higher speed.Finally，some advice on the rationality and applicability of ISO speed correction method are proposed.

U661.3

A

1001-9855（2011）03-0011-07

2010-11-29；

2011-02-03

陳勝蘭（1982-），女，漢族，工程師，主要從事船舶總體設(shè)計(jì)工作。