陳少峰，高麗瑾，惲秋琴，徐 杰，周偉新

(中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200001)

0 引 言

當今社會，科技發(fā)展日新月異，船舶行業(yè)在新形勢下，面對節(jié)能減排的目標，提出了許多新船型、新技術(shù)，并伴隨著產(chǎn)生了許多新規(guī)范、新測試手段，從而產(chǎn)生了許多傳統(tǒng)流體力學(xué)無法解決的新問題，如氣體減阻技術(shù)的尺度效應(yīng)問題，船舶最小安全功率的模擬問題。需要深入研究，建立適合的理論設(shè)計和試驗方法來解決這些新問題，這對船舶行業(yè)的理論設(shè)計及試驗水平提出了更高的要求。

在理論設(shè)計方面，雖然近年來依托計算機技術(shù)的進步，數(shù)值計算技術(shù)得到大力發(fā)展，理論設(shè)計水平獲得較大提升，但短期內(nèi)尚無法突破實尺度數(shù)值模擬、船舶復(fù)雜系統(tǒng)模擬等關(guān)鍵技術(shù)。理論設(shè)計水平的局限性，在一定程度上限制了船舶行業(yè)新問題的解決，從而只能從試驗研究的角度尋求突破。在試驗研究方面，由于建設(shè)資金的限制及硬件技術(shù)的制約，目前主要的試驗研究手段仍然為小尺度模型試驗。小尺度模型試驗面對船舶行業(yè)出現(xiàn)的新問題，同樣存在著船舶復(fù)雜系統(tǒng)模擬等問題，具體體現(xiàn)在如下幾個方面：1）小尺度模型試驗的試驗場所一般為水筒、水槽、水池以及風洞，由于試驗場所的規(guī)模限制，試驗?zāi)Ｐ蜑閷嵈s比幾十倍后所得，由于尺度效應(yīng)的影響，使得模型試驗結(jié)果與實船試驗結(jié)果存在一定的差異。傳統(tǒng)船舶力學(xué)的尺度效應(yīng)問題，經(jīng)過長時間的研究，憑借積累的大量模型試驗及實船試驗數(shù)據(jù)，已形成較為完善的預(yù)報方法，可以通過水池船模試驗數(shù)據(jù)較為準確地預(yù)報實船性能，基本解決了尺度效應(yīng)問題。但對于船舶行業(yè)出現(xiàn)的新型技術(shù)，其尺度效應(yīng)問題尚未被透徹了解和徹底解決，制約著新型船舶技術(shù)的實船應(yīng)用。2）由于小尺度模型的局限性，使得專有設(shè)備系統(tǒng)無法在試驗?zāi)Ｐ偷玫侥M和驗證。3）由于試驗場所的條件限制，只能模擬較為理想的環(huán)境因素，與船舶實際航行的海洋環(huán)境差異較大。因為小尺度模型試驗存在上述局限性，不能為船舶行業(yè)所面臨的新問題提供有效的研究手段，所以為了解決上述問題，最直接和有效的方法，便是增大模型尺度、在更真實的試驗環(huán)境下開展試驗研究。

增大模型試驗尺度，以期更徹底解決尺度效應(yīng)問題和判斷船機槳匹配綜合性能，船模自航試驗自20世紀50年代就已開始，但由于資金等各種條件的制約，一直未全面展開，隨著船舶行業(yè)新技術(shù)及新問題的不斷出現(xiàn)，大尺度船模自航試驗的作用日漸突出。最近國內(nèi)外開展的自航模湖泊試驗，便是以上述思路完善試驗研究技術(shù)，相對船模水池試驗，自航模試驗研究水平得到了提升。但是，現(xiàn)有的自航模湖試相對實船海試，仍存在較大差距，一方面是因為，自航模尺寸集中在7～15 m，雖然相對水池船模有明顯增加，但是尺度效應(yīng)依然較大；另一方面，自航模采用遙控遙測、電力推進的操控方式，與實船不一樣，導(dǎo)致實船海試中關(guān)心的一些參數(shù)，比如主輔機功率、舵角等數(shù)據(jù)，無法獲取。因此，有必要建造柴油機推進方式的更大尺度的試驗平臺，以解決尺度效應(yīng)、船舶復(fù)雜系統(tǒng)模擬等問題[1]。

1 百噸級自航模試驗平臺的建設(shè)

面對近來涌現(xiàn)的各類船舶新技術(shù)的試驗需求和船模試驗發(fā)展瓶頸之間的矛盾，中國船舶科學(xué)研究中心（簡稱CSSRC），為提高船舶試驗水平，解決各類船舶新技術(shù)、新方法在研究過程中，遇到的尺度效應(yīng)問題，決定建造覆蓋快速性、操縱性、耐波性、船體運動姿態(tài)、軸系振動、局部應(yīng)變等測試內(nèi)容，并具有一定擴展能力的百噸級自航模綜合試驗平臺。該百噸級自航模，以90 000噸級散貨船為母型，縮尺比為1:10，具有主輔機、槳、舵等動力和操縱系統(tǒng)，可大幅提高模型試驗?zāi)芰?、擴展測試范圍，降低尺度效應(yīng)的影響。該船在設(shè)計吃水下，主要參數(shù)如表1所示。

表1 百噸級自航模參數(shù)Tab.1 Parameters of hundred tons level self-propelled ship model

百噸級自航模試驗平臺，在設(shè)計建造伊始，便充分考慮各類使用需求，留足可變更、可擴展的余地。該自航模具有可替換的變速箱，可保證航速覆蓋各類試驗的需求；針對性設(shè)計的舵，保證自航模的操縱性和安全性；發(fā)電機留有充足的裕量，滿足后續(xù)加裝各類新設(shè)備的需求；搭建高精度的軸功率、舵扭矩、對水和對地航速、加速度、氣象環(huán)境、應(yīng)力應(yīng)變等測試系統(tǒng)。利用對接船廠的便利條件，該自航?？梢赃M行各類新技術(shù)的改裝，遠期規(guī)劃圖景如圖1所示，現(xiàn)已完成氣層減阻系統(tǒng)、風力助推轉(zhuǎn)子、舵扭矩測量系統(tǒng)、流場測量系統(tǒng)的改裝和應(yīng)用，當前正開展無人船自主航行改裝。

2 基于試驗平臺的新型船舶應(yīng)用技術(shù)研究

該原理樣船試驗平臺自建造完成以來，在上海淀山湖開展了一系列尺度效應(yīng)沒有定論的新技術(shù)、還無法在實船上應(yīng)用的新方法的湖泊試驗。作為水池試驗和實船試驗的補充，通過原理樣船湖泊試驗，減小了模型尺寸對試驗結(jié)果的影響，為尺度效應(yīng)的研究提供了有力的支撐數(shù)據(jù)；驗證了新技術(shù)、新方法在實船上應(yīng)用的可行性，其中一些新型船舶技術(shù)，現(xiàn)已成功應(yīng)用至實船。

圖1 百噸級自航模試驗平臺規(guī)劃Fig.1 Planning of test platform for hundred tons level self-propelled ship model

2.1 氣層減阻試驗

為應(yīng)對全球資源、氣候問題，國際海事組織IMO對船舶航運業(yè)，提出了能效設(shè)計指數(shù)（即EEDI指數(shù)）進行約束，自2011年將EEDI作為強制性要求以來，船舶行業(yè)開展了大量工作，通過船型優(yōu)化、加裝節(jié)能裝置、降低船舶設(shè)計航速等，在一定程度上降低了EEDI指數(shù)。作為最高要求的EEDI三階段標準，將于2025年執(zhí)行，其指標比基線降低了30%以上。從MEPC71次會議提供的EEDI數(shù)據(jù)庫來看，油船和散貨船以現(xiàn)有的技術(shù)水平，較難滿足EEDI三階段標準。因此，新型節(jié)能裝置的開發(fā)越來越受到重視，氣層減阻技術(shù)就是其中重要一項，該技術(shù)以氣層分隔船底和水體，可以顯著降低船舶阻力，減少燃料消耗，具有重要的經(jīng)濟和環(huán)保價值。

在2015年之前，國內(nèi)氣層減阻技術(shù)的研究，主要集中在理論研究和船模水池試驗階段。CSSRC在完成平板模型空泡水筒試驗和船模水池試驗之后，為了更好研究尺度效應(yīng)對噴氣量的影響，以便成功完成實船氣層減阻方案設(shè)計，決定利用百噸級自航模試驗平臺開展氣層減阻湖泊試驗（見圖2）。為了確定實船適用的氣層減阻方案，在湖泊試驗階段設(shè)計了多種氣層減阻方案，將百噸級自航模底部改造成可變深度的氣穴，設(shè)置各種噴氣形式，增加多種氣層穩(wěn)定裝置。試驗期間，測試內(nèi)容除了航速、軸功率、航行姿態(tài)、環(huán)境參數(shù)等常規(guī)測試項以外，還組建了包含流量計、壓力表、電動閥等儀器在內(nèi)的氣層減阻控制、調(diào)節(jié)及測量系統(tǒng)。

試驗通過調(diào)整氣穴深度，對比測試了百噸級自航模不同氣穴深度和平底原型之間的主輔機功率消耗之差，換算成不同氣穴深度相對平底原型的節(jié)能率，得出最優(yōu)氣穴深度。在最優(yōu)氣穴深度下，考察各種噴氣形式的優(yōu)劣，分析噴氣量、噴氣壓力、船舶姿態(tài)、吃水和航速對節(jié)能率的影響。最終原理樣船氣層減阻湖泊試驗，在適用航速范圍內(nèi)典型凈節(jié)能效果18%，在設(shè)計吃水、設(shè)計航速下凈節(jié)能效果在11%以上。

圖2 百噸級自航模氣層減阻湖泊試驗Fig.2 The air-layer drag reduction experiment with hundred tons self-propelled ship model

為了利用百噸級自航模湖泊試驗數(shù)據(jù)，指導(dǎo)萬噸級實船的氣層減阻方案設(shè)計，必須考察尺度效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，建立氣層減阻技術(shù)的相應(yīng)相似律。在傳統(tǒng)船舶阻力相似律中，摩擦阻力相似考察Re數(shù)，剩余阻力相似考察Fr數(shù)。對應(yīng)用氣層減阻系統(tǒng)的船舶而言，其船舶阻力不能夠僅依據(jù)傳統(tǒng)船舶阻力的相似關(guān)系，噴氣量Q是一個影響船舶阻力的關(guān)鍵參數(shù)，而關(guān)于噴氣量Q的相似律研究開展的較少。CSSRC利用船模水池試驗和百噸級自航模湖泊試驗的數(shù)據(jù)，分析了Q在不同尺度間的換算關(guān)系，提出了基于Re，F(xiàn)r，Q的氣層減阻技術(shù)相似律[1]。2016年CSSRC利用已建立的相似律，對上海長江輪船有限公司的1艘萬噸級敞口集裝箱船“長航洋山2號”進行了氣層減阻方案設(shè)計及實船改裝，經(jīng)實船實海驗證，獲得了7%以上的凈節(jié)能效果。

2.2 風力助推轉(zhuǎn)子試驗

人類對風能的利用由來已久，在蒸汽機、內(nèi)燃機出現(xiàn)以前，風帆曾是船舶推進的主要方式。隨著全球資源、環(huán)境問題的出現(xiàn)，船舶航運業(yè)利用風能進行輔助推進，再次獲得關(guān)注。船用風力助推轉(zhuǎn)子技術(shù)，利用馬格納斯效應(yīng)，依據(jù)風速和風向的變化，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，使得轉(zhuǎn)子一側(cè)氣流速度增大，而另外一側(cè)速度減小，從而產(chǎn)生壓力差，形成向前的推力，達到節(jié)能的目的。船用風力助推轉(zhuǎn)子作為IMO指定的B類節(jié)能技術(shù)的代表，具有節(jié)能效果好、適用船型廣的特點，成為相關(guān)行業(yè)的研究熱點。國外已有數(shù)艘實船應(yīng)用案例，國內(nèi)尚處于理論研究階段。

CSSRC在百噸級自航模試驗平臺上開展風力助推轉(zhuǎn)子試驗（見圖3），測試內(nèi)容包括航速、航向、主機功率、轉(zhuǎn)子電機功率、風速、風向等。通過調(diào)整航向，考察不同風速、風向角度下，主機和轉(zhuǎn)子電機功率的變化，即可得到轉(zhuǎn)子的節(jié)能效果。試驗結(jié)果表明，在橫風和尾斜風角度下，均可取得較好的節(jié)能效果，典型節(jié)能率達到6%～10%。目前，正在設(shè)計建造實尺度轉(zhuǎn)子，通過改進機械結(jié)構(gòu)、優(yōu)化測試方案，期望得到更好的節(jié)能效果和更詳盡的測試數(shù)據(jù)，成功將風力助推轉(zhuǎn)子應(yīng)用于實船。

圖3 百噸級自航模風力助推轉(zhuǎn)子湖泊試驗Fig.3 The wind booster rotor experiment with hundred tons self-propelled ship model

2.3 最小推進功率試驗

為滿足EEDI指數(shù)相關(guān)要求，除采用上述新型節(jié)能技術(shù)之外，船東面對國際航運業(yè)的衰弱，往往傾向于低航速運輸，既滿足了EEDI要求，又能保障貨運的需求。但是，當遇到惡劣天氣時，如果船舶航速過低，則無法保持航向穩(wěn)定性，甚至無法逃離危險區(qū)域。因此，為保障船舶航行安全，IMO制定了船舶最小推進功率相關(guān)規(guī)定，對船舶行業(yè)進行引導(dǎo)和規(guī)范。

通過數(shù)次國際海事組織海上環(huán)境保護委員會的會議討論，最小推進功率的概念和評估方法逐步明確[3–4]，其評價方法主要分為兩種：

1）根據(jù)現(xiàn)有船舶數(shù)據(jù)，制定了各類不同船型的最小推進功率關(guān)于排水量的曲線，若船舶的額定功率在該曲線之上，則符合最小推進功率要求；

2）求解船舶在惡劣海況下，為保持航向所必須的最小航速，以及在此航速下螺旋槳收到的功率和扭矩。若船舶安裝主機能提供此扭矩，則該船符合最小推進功率要求。

最小推進功率，第1種評估方法，一經(jīng)確認功率曲線的系數(shù)后，應(yīng)用簡單方便。第2種評估方法，需要重點考察船舶在惡劣海況中運行時所受的空氣、波浪和附體阻力，而這些數(shù)據(jù)的獲取，現(xiàn)階段主要依靠經(jīng)驗公式或者CFD計算。因為一方面，造波水池現(xiàn)階段還無法完全模擬惡劣海況，另一方面，實船在惡劣海況下低速航行時，安全性無法得到保障，不敢開展相關(guān)實船海試。從而導(dǎo)致最小推進功率評估研究中，模型和實船試驗數(shù)據(jù)均較為缺乏，無法對經(jīng)驗公式和CFD計算進行校驗。

為彌補最小推進功率研究在試驗方面的不足，CSSRC利用百噸級自航模試驗平臺，開展大風浪下最小推進功率湖泊試驗。根據(jù)試驗?zāi)康?、船舶性能和試驗場地環(huán)境的具體情況，試驗工況安排為無風浪、0.2 m浪、0.5 m浪下的快速性、Z形、回轉(zhuǎn)、航向穩(wěn)定性試驗，測試內(nèi)容包括航速、航向、功率、舵扭矩、縱搖角、橫搖角等（見圖4）。通過CSSRC開展的最小推進功率湖泊試驗，初步驗證了最小推進功率的評估方法，對推動船舶最小推進功率的研究有重要意義。

2.4 新型智能船舶自主航行試驗

無人船是指以有動力的船舶為基礎(chǔ)，通過搭載通訊設(shè)備和控制設(shè)備，從而能夠完成自主航行、自動避障的高技術(shù)、智能化船舶。其研制，涉及船舶設(shè)計、環(huán)境感知、無線通信、信息處理和運動控制等多個專業(yè)。無人船除了應(yīng)用于軍事領(lǐng)域外，還越來越多應(yīng)用在水體環(huán)境監(jiān)測、水上搜救、聲學(xué)通信中繼等民用領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外研制的無人船，從安全性和應(yīng)用需求的角度考慮，普遍采用硬殼充氣艇的形式，而對運輸船的研究應(yīng)用則較少。CSSRC為將無人船的研究領(lǐng)域擴展至運輸船，決定在百噸級自航模試驗平臺上開展無人船自主航行試驗。

百噸級自航模將被改造成為基于視頻、雷達、紅外信號的自主航行無人船，并保留手動操控方式。該試驗按控制形式可分為4個階段，1）基于手持遙控器的試驗；2）基于岸基遙控試驗；3）基于視頻信號的自主航行試驗；4）基于雷達、紅外信號的自主航行試驗。通過湖泊試驗，測試各類控制手段的避障能力和適用性，尋找適合于運輸船的自主航行手段。目前，試驗正處于百噸級自航模的機械控制系統(tǒng)電氣化改造，以及基于手持遙控器的遙控改裝階段。

圖4 原理樣船在大風浪下的航行穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)試驗Fig.4 Sailing stability and rotation experiment of self-propelled ship model under large wave

3 基于試驗平臺的新型實船測試技術(shù)研究

船舶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，離不開測試技術(shù)的進步，實船測試技術(shù)集成了水動力、結(jié)構(gòu)安全、振動噪聲等多方面的內(nèi)容，是船舶設(shè)計、建造和驗收等多個方面發(fā)展的關(guān)鍵。然而，當今船舶行業(yè)急需的測量技術(shù)，如流場測量、邊界層測量、螺旋槳觀測、輻射噪聲測量、推力測量等，往往不具備直接在實船上應(yīng)用的基礎(chǔ)。CSSRC利用百噸級自航模試驗平臺開展新型實船測試技術(shù)的研究，是將這些技術(shù)應(yīng)用于實船的重要準備工作。

3.1 船舶流場測量技術(shù)研究

船舶周圍的流場狀態(tài)，關(guān)系到船舶各項水動力性能，對船型優(yōu)化和高效螺旋槳設(shè)計，有著直接的影響?，F(xiàn)階段船舶流場的研究，主要依靠船模水池試驗時的畢托耙、PIV、LDV測量，以及模型尺度的數(shù)值計算。船模和實船之間雷諾數(shù)的差別達到2～3個數(shù)量級，由于尺度效應(yīng)的影響，當利用船模測量或計算的流場數(shù)據(jù)預(yù)報實船流場時，其差異較為明顯[5]。為解決上述弊端，相關(guān)從業(yè)者正著力提高數(shù)值計算水平，開展船舶實尺度數(shù)值計算的研究。然而，由于實船流場測量技術(shù)水平進步緩慢，導(dǎo)致船舶實尺度數(shù)值計算的結(jié)果無法得到驗證，實船預(yù)報的能力仍無法滿足要求?？梢姡l(fā)展實船流場測量技術(shù)，是提高船舶設(shè)計水平的關(guān)鍵。

實船流場測量手段與船模流場測量一致，包括畢托管、PIV、LDV等，但是對測試儀器加工和安裝的水平、數(shù)據(jù)采集和分析的能力，提出了更高的要求。實船流場測量，可分為伴流場、尾流場和邊界層測量等多個方面，不同的測量對象，對測量能力的要求也不盡相同。5孔畢托管作為接觸式測量儀器，通過分析測孔間的壓差，可計算得到測量點的三維流速，具有測量精度高，安裝方便的優(yōu)點，可應(yīng)用于伴流場和尾流場等流場測量。CSSRC決定在百噸級自航模試驗平臺上，開展5孔畢托管流場測量試驗，突破流場測量僅限于船模試驗的限制，形成能推廣至實船的流場測量技術(shù)方案。

本試驗將5孔畢托管以在船壁上開孔的方式進行安裝，測試點位置的選取，根據(jù)數(shù)值計算得到的流場分布和百噸級自航模現(xiàn)場實際情況而定（見圖5），最終形成了由32個測點組成的測試網(wǎng)。通過分析測試網(wǎng)所得三維流速數(shù)據(jù)，可得各個剖面的流場分布，以及不同剖面間的流線發(fā)展情況。將測量數(shù)據(jù)與數(shù)值計算數(shù)據(jù)對比驗證，可指導(dǎo)船舶實尺度數(shù)值計算的發(fā)展。

基于百噸級自航模開展的5孔畢托管流場測量試驗，必須解決的難題有：1）5孔畢托管含有5根毫米級的管道，容易被雜質(zhì)堵塞，因此試驗必須在清澈的水域開展。CSSRC擬針對各個可能開展試驗的水域，取水樣送檢分析，選擇水質(zhì)最好的水域進行試驗，并盡量避免船舶行駛過程中對水體的攪動。2）5孔畢托管在各個測點處，直接采集到的是5組壓力數(shù)據(jù)，在分析流場特性的過程中，需要進行大量數(shù)據(jù)處理。這就對測量原始數(shù)據(jù)的可靠性、數(shù)據(jù)分析方法的科學(xué)性提出了很高的要求。CSSRC利用自身作為水動力試驗基地的條件，在空泡水筒內(nèi)對5孔畢托管進行了詳盡的標檢，確保原始數(shù)據(jù)的可靠性，并應(yīng)用掌握的水動力學(xué)知識，透過測量數(shù)據(jù)的表象，分析船舶流場的本質(zhì)，確保數(shù)據(jù)分析方法的科學(xué)性。

目前，百噸級自航模5孔畢托管流場測量試驗，已經(jīng)完成了船舶開孔、畢托管標定與安裝、測量系統(tǒng)搭建等工作?，F(xiàn)階段，正在取樣分析對應(yīng)水域水質(zhì)，待試驗場地挑選完成即可開展試驗。

圖5 五孔畢托管安裝位置選擇Fig.5 Installation location selections of five-hole pitot-tube

4 結(jié) 語

面對船舶行業(yè)日新月異的科技發(fā)展，常規(guī)船模試驗和實船試驗往往無法滿足新技術(shù)、新方法的試驗需求。CSSRC自主設(shè)計建造的百噸級自航模試驗平臺，搭建完整的測試系統(tǒng)，留有各類設(shè)備的擴展接口，作為從船模到實船之間的中間環(huán)節(jié)，減小了模型尺寸對試驗結(jié)果的影響，為尺度效應(yīng)的研究提供了有力的支撐，為船舶復(fù)雜系統(tǒng)模擬提供了試驗平臺，已在船舶行業(yè)新技術(shù)及新問題的試驗研究中成功應(yīng)用，提高了自航模試驗的綜合測試及研究能力。