王曦，陳慶任，張偉，喻露

(中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

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珠江閩江船舶航速預(yù)報(bào)算法開(kāi)發(fā)及實(shí)船驗(yàn)證

王曦，陳慶任，張偉，喻露

(中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

根據(jù)內(nèi)河船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)船舶有效功率估算方法艾爾法進(jìn)行修正，應(yīng)用圖譜回歸公式計(jì)算螺旋槳推進(jìn)功率，考慮船機(jī)槳匹配進(jìn)行珠江、閩江船舶航速預(yù)報(bào)，通過(guò)實(shí)船試驗(yàn)對(duì)航速預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，預(yù)報(bào)結(jié)果符合工程精度，具有良好的實(shí)用性，可用于珠江、閩江現(xiàn)有船舶標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)定工作。

珠江閩江；航速預(yù)報(bào)；艾爾法；實(shí)船驗(yàn)證

2011年7月，國(guó)際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)第62屆會(huì)議通過(guò)了《國(guó)際防止船舶造成污染公約》(MARPOL公約)附則VI有關(guān)能效規(guī)則的修正案，使船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)成為強(qiáng)制性要求，該修正案已于2013年1月1日生效實(shí)施。對(duì)內(nèi)河船舶而言，交通運(yùn)輸部發(fā)布的《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型指標(biāo)體系》對(duì)燃料消耗、CO2排放指標(biāo)提出了強(qiáng)制性要求[1]，并于2012年7月1日起生效。2014年12月公布的《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定》，進(jìn)一步對(duì)新船準(zhǔn)入提出了指標(biāo)體系強(qiáng)制性要求[2]。對(duì)珠江、閩江水系船舶而言，交通運(yùn)輸部于2015年1月發(fā)布了《關(guān)于貫徹實(shí)施〈內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定〉有關(guān)工作的通知》，要求對(duì)珠江、閩江現(xiàn)有船舶進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)定，而其中的難點(diǎn)是用于能效評(píng)估的船舶航速驗(yàn)證，主要體現(xiàn)在以下兩方面。

1)按照《內(nèi)河船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI評(píng)估指南》[3]，在設(shè)計(jì)階段需進(jìn)行水池試驗(yàn)測(cè)得額定主機(jī)功率下的船舶航速。與海船相比，內(nèi)河航運(yùn)附加值低、船舶設(shè)計(jì)費(fèi)用少，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行船模水池試驗(yàn)的船舶很少，使得前期驗(yàn)證流于形式，存在實(shí)船驗(yàn)證不能通過(guò)的風(fēng)險(xiǎn)。

2)在最終驗(yàn)證階段，需進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)。由于內(nèi)河航道適應(yīng)大型船舶試驗(yàn)的順直深水航道不多，實(shí)船試驗(yàn)工況又大多為空載工況，試驗(yàn)環(huán)境條件和實(shí)船工況都受到很大的限制。

上述2點(diǎn)使得珠江、閩江現(xiàn)有船舶標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)定工作難以得到有效落實(shí)。與此同時(shí)，目前珠江、閩江現(xiàn)有船舶數(shù)量高達(dá)幾萬(wàn)艘，在時(shí)間、經(jīng)費(fèi)上都不可能采用船模試驗(yàn)或?qū)嵈囼?yàn)的方式來(lái)完成現(xiàn)有船標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)定工作，故需要采用航速理論預(yù)報(bào)方法予以解決。本文采用修正的艾爾法進(jìn)行船舶阻力估算，基于圖譜法進(jìn)行螺旋槳的設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶航速預(yù)報(bào)算法的開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行珠江、閩江實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 航速預(yù)報(bào)方法

根據(jù)內(nèi)河船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)和珠江、閩江實(shí)船試驗(yàn)航速資料，對(duì)目前珠江船舶設(shè)計(jì)普遍采用的船舶有效功率估算方法艾爾法進(jìn)行修正、驗(yàn)證，并應(yīng)用圖譜回歸公式計(jì)算螺旋槳推進(jìn)功率，最后通過(guò)船機(jī)槳匹配進(jìn)行珠江、閩江船舶航速預(yù)報(bào)。該航速預(yù)報(bào)算法流程見(jiàn)圖1。

圖1 航速預(yù)報(bào)算法開(kāi)發(fā)流程

1.1 艾爾法的修正分析

艾爾法利用設(shè)計(jì)船與標(biāo)模船之間的尺度差異，在標(biāo)模船的功率系數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，從而估算設(shè)計(jì)船的船舶有效功率[4-6]。該方法適用范圍廣，對(duì)中低速船舶估算精度高，但它是基于海船資料回歸得出的估算方法，當(dāng)其應(yīng)用于內(nèi)河船時(shí)需要進(jìn)行一定的修正。為了使艾爾法能有效應(yīng)用于珠江、閩江水系船舶阻力的估算，有必要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的修正分析[7]。

收集到40艘內(nèi)河船舶(長(zhǎng)江、珠江水系)的船模水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共有242個(gè)速度樣本點(diǎn)。這些船舶的主參數(shù)范圍見(jiàn)表1。利用艾爾法進(jìn)行阻力估算，將計(jì)算結(jié)果與船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行修正分析。

表1 船模試驗(yàn)船舶參數(shù)范圍

艾爾法的阻力估算首先按Fr和L/Δ1/3查得標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)C0，再根據(jù)Cb、B/T、xc、Lwl與標(biāo)準(zhǔn)船型的差異進(jìn)行4個(gè)步驟的修正，其修正值分別為Δ1、Δ2、Δ3、Δ4。修正系數(shù)C4=C0+Δ1+Δ2+Δ3+Δ4，實(shí)際設(shè)計(jì)船的有效功率為

(1)

經(jīng)過(guò)對(duì)242個(gè)速度點(diǎn)4個(gè)修正量的統(tǒng)計(jì)分析可知，其中關(guān)于xc、Lwl的修正量Δ3、Δ4較小，對(duì)結(jié)果影響不大；而Cb、B/T的修正量Δ1、Δ2較大。故只改進(jìn)Cb與B/T的修正方法，使艾爾法更適用于珠江、閩江水系船舶的阻力估算。進(jìn)一步對(duì)修正量Δ1、Δ2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大的因素，比較其估算誤差，最終完善確定Cb與B/T的修正方法和相關(guān)修正系數(shù)。

1.1.1 方形系數(shù)Cb的修正

當(dāng)Fr較大時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)方形系數(shù)Cbc與Cb之差較大，使得Cb的修正量過(guò)大而影響了計(jì)算精度。當(dāng)Cb>Cbc時(shí)，艾爾法的修正系數(shù)Kbc為

(2)

對(duì)此，將其修正為：當(dāng)Kbc<-10時(shí)，Kbc=-10。

則，修正量：Δ1=C0×Kbc，C1=C0+Δ1。

1.1.2 寬度吃水比B/T的修正

艾爾法的標(biāo)準(zhǔn)船型B/T=2，原修正方法為

(3)

式中：D20=B/T-2。

在此將D20修正為當(dāng)B/T<3：D20=B/T-2；

當(dāng)B/T>3：D20=2×B/T-5，如果Cb>0.87且B/T>3.5，D20=2×B/T-5.5；

且當(dāng)D20>4：D20=4。

分別用原艾爾法和修正后的艾爾法對(duì)242個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。將計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差以5%為間距劃分區(qū)間并統(tǒng)計(jì)各區(qū)間分布的樣本比例，見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差的分布

由圖2可見(jiàn)，原版艾爾法的結(jié)果相對(duì)誤差的絕對(duì)值大于5%的樣本點(diǎn)所占比例達(dá)70%；而修正艾爾法的結(jié)果則有69%的樣本點(diǎn)分布于-5%至5%之間，且95%處于-12.5%～12.5%之間。這表明修正后的艾爾法更適合于珠江、閩江船舶的有效功率估算。

1.2 螺旋槳推進(jìn)功率的計(jì)算

內(nèi)河船舶螺旋槳基本采用圖譜槳，包括MAU型槳和B型槳，這2種圖譜槳的kt、kq圖譜已有回歸公式可供直接計(jì)算。

推進(jìn)因子根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取合適的經(jīng)驗(yàn)公式[8]伴流分?jǐn)?shù)w和推力減額t為

(4)

式中：當(dāng)Cb≤0.84時(shí)，f=0.143 5；當(dāng)Cb>0.84時(shí)，f=0.132；n為螺旋槳個(gè)數(shù)；Dp為螺旋槳直徑。

(5)

式中：p、q為系數(shù)。

當(dāng)Cb≤0.84時(shí)，p=0.292 5，q=0.169 7；

當(dāng)Cb>0.84時(shí)，p=0.276，q=0.16；

Vs為服務(wù)航速，km/h。

1.3 航速預(yù)報(bào)

采用修正的艾爾法求得船舶有效功率曲線，采用圖譜回歸公式求得螺旋槳有效推功率和對(duì)應(yīng)的主機(jī)功率，通過(guò)船機(jī)槳匹配得到給定工況下的船舶航速[9]。

2 實(shí)船航速驗(yàn)證

在珠江、閩江水系現(xiàn)有船舶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)影響船舶阻力的主要船型參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際情況(船期、調(diào)配等)，篩選了14艘船舶作為實(shí)船測(cè)試典型代表船型，其中廣東6艘，廣西6艘，福建2艘，見(jiàn)表2。

采用本航速預(yù)報(bào)算法對(duì)這14艘船舶的航速進(jìn)行預(yù)報(bào)，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)船測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)最大誤差為10.8%，最小誤差為0.1%，有8艘船舶的誤差小于5%，預(yù)報(bào)航速與設(shè)計(jì)航速的誤差絕對(duì)值|ε|進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知：|ε|<5%，占57.1%；|ε|<10%，占92.8%。

表2 實(shí)船試驗(yàn)船舶列表

表3 實(shí)船試驗(yàn)航速與航速預(yù)報(bào)結(jié)果的比較

通過(guò)珠江、閩江實(shí)船航速驗(yàn)證結(jié)果表明，本文開(kāi)發(fā)的航速預(yù)報(bào)算法與實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果相比，誤差在工程精度要求范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

1)計(jì)算分析表明，Cb與B/T這2個(gè)船型參數(shù)對(duì)艾爾法的估算結(jié)果影響較大，故針對(duì)性地改進(jìn)了Cb與B/T的修正方法，使艾爾法更適用于珠江、閩江水系船舶的阻力估算。

2)珠江、閩江實(shí)船驗(yàn)證表明，本航速預(yù)報(bào)算法誤差在工程精度要求范圍內(nèi)，具有良好的實(shí)用性，可用于珠江、閩江水系船舶標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)定工作。

3)本文算法對(duì)極少數(shù)船舶預(yù)報(bào)不夠精確，建議在后續(xù)研究工作中按船型、方形系數(shù)等參數(shù)分類，進(jìn)一步修正優(yōu)化艾爾法，提高航速預(yù)報(bào)精度。

4)本航速預(yù)報(bào)算法可為其他水域類似尺度比船舶的EEDI航速預(yù)報(bào)提供參考。

[1] 交通運(yùn)輸部.內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型指標(biāo)體系[S].北京：交通運(yùn)輸部，2012.

[2] 交通運(yùn)輸部.內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定[S].北京：交通運(yùn)輸部，2014.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.內(nèi)河船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI評(píng)估指南[S].北京：人民交通出版社，2012.

[4] 盛振邦,劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2003．

[5] 黃宏波.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2007．

[6] 劉桂杰,郭春雨,李茂華,等.船舶阻力圖譜計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果比較分析[J].中國(guó)艦船研究,2014(3):38-42.

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[8] 郭春雨,陳月鋼,王成堯,等.肥大型船舶實(shí)效伴流分析及預(yù)報(bào)[J].船海工程,2014(4):47-50,54.

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Development of Ship Speed Forecast Algorithm in Pearl River and Minjiang River and Verification by real ships

WANG Xi, CHEN Qing-ren, ZHANG Wei, YU Lu

(Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)

The Ayre’s method was modified according to the inland ship model test data, which can calculate the propeller propulsion power by using the map regression formula, forecast the ship speed in Pearl river and Minjiang river by matching the ship engine and propeller. The speed forecast results were verified by real ship tests. It was shown that the speed forecast algorithm meets the engineering accuracy and has a good practicability, which can be used in the standardization work of the existing ships in Pearl river and Minjiang river.

Pearl river； Minjiang river; speed forecast; Ayre method; real ship verification

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.010

2016-12-28

工業(yè)與信息化部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目

王曦(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶性能/LNG船舶技術(shù)

U661.31

A

1671-7953(2017)04-0046-04

修回日期：2017-02-08