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船舶運(yùn)輸是交通運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，全球約80%以上的貨物運(yùn)輸必須經(jīng)過(guò)船舶運(yùn)輸。與陸路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸相比，航道運(yùn)輸在安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面具有突出優(yōu)勢(shì)。船舶能效是衡量船舶能源利用率的主要指標(biāo)，船舶運(yùn)行期間主機(jī)所提供的動(dòng)力一方面用于克服船舶阻力，另一方面用于彌補(bǔ)船舶動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)摩擦所致的能量損失，所以其燃油消耗量遠(yuǎn)高于船舶自身航行方面的需求[1]。船舶航行所消耗的能量在其總能量消耗量中僅占21.5%?？梢?jiàn)，通過(guò)科學(xué)研究，降低因通航環(huán)境阻力和動(dòng)力系統(tǒng)摩擦所致能量損耗，提升船舶能效，對(duì)于我國(guó)航運(yùn)事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

1.環(huán)境因素對(duì)船體阻力的影響

1.1 風(fēng)對(duì)船體阻力的影響

在通航環(huán)境下，風(fēng)向及風(fēng)力等級(jí)均不盡相同。國(guó)際上通常采用Beaufort風(fēng)力等級(jí)劃分表描述通航環(huán)境下風(fēng)力等級(jí)。具體見(jiàn)表1。一般情況下，當(dāng)風(fēng)力等級(jí)超出6級(jí)后，海面波浪波高可達(dá)5.5m及以上，船舶無(wú)法展開(kāi)正常通航作業(yè)。為此，本文主要針對(duì)6級(jí)及以下的風(fēng)力等級(jí)展開(kāi)分析；為便于研究，將0～6級(jí)風(fēng)力等級(jí)下風(fēng)速均值分別確定為0kn、2kn、5kn、9kn、14kn、19kn、25kn。

表1 Beaufort風(fēng)力等級(jí)劃分表

船舶航行期間，風(fēng)力主要影響水面上層部分船舶的阻力，也就是空氣阻力，其取值主要與空氣密度、風(fēng)向、相對(duì)風(fēng)速等有關(guān)，可按下式[2]計(jì)算：

式（1）中：Ra為空氣阻力，為風(fēng)力前進(jìn)向受到船舶阻隔后產(chǎn)生的分力；Ca為空氣阻力系數(shù)，客船在0.45～0.70之間取值，貨船則在0.70～0.95之間取值，漁船在0.70～0.80之間取值，綜合考慮目標(biāo)船舶規(guī)模及運(yùn)行航速，其空氣阻力系數(shù)取0.80；ρa(bǔ)為空氣密度（kg/m3），取1.228kg/m3；Sa為船舶水線以上的正橫投影面積（m2），目標(biāo)船舶滿載情況下水線以上正橫投影面積為835m2；Va為風(fēng)與船舶的相對(duì)速度（m/s）。

當(dāng)風(fēng)速取0kn、2kn、5kn、9kn、14kn、19kn、25kn且風(fēng)向角取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°時(shí)計(jì)算風(fēng)阻，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Origin繪圖軟件繪制不同風(fēng)向角下風(fēng)速、船舶航行速度與風(fēng)阻的關(guān)系圖。由此可知：①在風(fēng)速既定且風(fēng)力和船舶航行反方向時(shí)，船體承受的風(fēng)阻隨航行速度的增大而增大；而在風(fēng)力和船舶航行同向時(shí)，航速越小，船舶越容易產(chǎn)生前進(jìn)推力[3]。②當(dāng)航速既定且風(fēng)力與船舶航行反方向時(shí)，船體承受的風(fēng)阻隨航行速度的增大而增大；而當(dāng)風(fēng)力和船舶航行同向時(shí)，風(fēng)速越高，船舶承受的阻力越小，甚至?xí)?duì)船體產(chǎn)生隨風(fēng)速增大而增大的推力，推動(dòng)船舶前行。③就風(fēng)向角對(duì)船體阻力的影響而言，因不同風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的正橫截面不盡相同，故風(fēng)向角的改變必將造成風(fēng)阻變化。通過(guò)分析不同風(fēng)速、航速與風(fēng)阻的關(guān)系看出，當(dāng)風(fēng)向角<90°時(shí)，船舶所承受的風(fēng)阻隨航行速度及風(fēng)速的增大而增大；而當(dāng)風(fēng)向角=90°時(shí)，應(yīng)無(wú)橫風(fēng)的影響，船舶前進(jìn)向也無(wú)分力產(chǎn)生，故船舶承受的風(fēng)阻隨航行速度的增大而增大；當(dāng)風(fēng)向角>90°時(shí)，風(fēng)速越快，船體越易于受到風(fēng)力推動(dòng)，且這種推動(dòng)效果在航速越小時(shí)越明顯。

1.2 波浪對(duì)船體阻力的影響

波浪的產(chǎn)生主要是風(fēng)力的作用，故波浪特征值與風(fēng)力條件存在密切關(guān)系。波浪參數(shù)也可通過(guò)Beaufort風(fēng)力等級(jí)劃分表而得出，在0～12級(jí)風(fēng)力等級(jí)下，海浪波高均值分別為0m、0.1m、0.4m、0.8m、1.5m、2.0m、3.5m、4.5m、6.0m、8.5m、10.5m、13.5m及至少14.0m；海浪波高最大值分別為0m、0.1m、0.3m、1.0m、1.5m、2.5m、4.0m、5.5m、7.5m、10.0m、12.5m、16.0m及至少20.0m。

為保證計(jì)算精度，選用Daidola等人通過(guò)水池模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的波浪干擾力模型計(jì)算波浪對(duì)船體阻力的影響程度[4]，公式如下：

M.Olagnon等人根據(jù)雷達(dá)記錄數(shù)據(jù)所得出的具體海域不同海況下最大波浪波陡在時(shí)間域st和空間域st內(nèi)的分布趨勢(shì)，具體見(jiàn)圖1。圖中空間域和時(shí)間域之間的函數(shù)關(guān)系為S1=0.650St+0.704。由圖可知，所在海域波陡分布于0～14%之間，且波陡超出10%后的記錄數(shù)據(jù)逐漸減少。考慮到波高和波長(zhǎng)間無(wú)明確的直接關(guān)系，故本研究主要分析海浪波高和波向角對(duì)波浪增阻的影響。相應(yīng)的，選取圖中波陡5%的密集范圍中間值的波浪展開(kāi)不同風(fēng)級(jí)波浪類型計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果代入式（2）后求得不同波浪浪高和波向角下的波浪增阻值，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 最大波浪波陡分布趨勢(shì)圖

表2 不同風(fēng)級(jí)波浪波長(zhǎng)及試試驗(yàn)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)進(jìn)一步分析，在波向角<90°時(shí)，波浪增阻值隨波浪浪高的增大而增大；在波向角≥90°后，波浪會(huì)對(duì)船舶產(chǎn)生推力，該推力值隨波浪浪高的增大而增大，對(duì)船舶前行起到推進(jìn)作用。

2.船舶推進(jìn)效率仿真分析

船舶推進(jìn)系統(tǒng)由船舶主機(jī)、螺旋槳、傳動(dòng)系統(tǒng)、軸系等構(gòu)成，根據(jù)各系統(tǒng)之間的能量傳遞關(guān)系，通過(guò)AMESim系統(tǒng)對(duì)船舶能效展開(kāi)仿真分析，以得出不同通航環(huán)境下的船舶主機(jī)能效。

2.1 仿真計(jì)算

結(jié)合船舶通航運(yùn)行環(huán)境，設(shè)置風(fēng)浪方向角、風(fēng)力等級(jí)、船舶航行速度等參數(shù)值，對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)展開(kāi)仿真分析。航速設(shè)定為12kn，風(fēng)力等級(jí)取2級(jí)，風(fēng)浪方向角取0°。根據(jù)仿真結(jié)果，在初始時(shí)刻，向船舶施加達(dá)到目標(biāo)航行速度所對(duì)應(yīng)的阻力，借助推進(jìn)系統(tǒng)達(dá)到船舶－螺旋槳之間的匹配，實(shí)際航行速度也與目標(biāo)航速接近，螺旋槳推力與船體阻力平衡。船舶航行速度從負(fù)轉(zhuǎn)正并達(dá)到平衡狀態(tài)約耗時(shí)50s。主機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出功率均從0開(kāi)始增大，并在推進(jìn)系統(tǒng)所需功率及轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的功率值即為相應(yīng)通航環(huán)境下所產(chǎn)生和損耗的能量值。

根據(jù)前述分析結(jié)果，船體所承受的阻力隨風(fēng)浪方向角的增大而減小，也就是說(shuō)當(dāng)風(fēng)浪方向角取0°時(shí)，船舶主機(jī)所提供的功率達(dá)到最大。對(duì)此時(shí)的船舶航行狀態(tài)展開(kāi)仿真，得出平衡狀態(tài)下船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此繪制主機(jī)轉(zhuǎn)速－功率關(guān)系圖見(jiàn)圖2，將船舶系統(tǒng)運(yùn)行所需要的轉(zhuǎn)速－功率值與主機(jī)所能提供的轉(zhuǎn)速－功率值展開(kāi)對(duì)比分析可知，船舶主機(jī)可以提供幾乎全部工況下推進(jìn)系統(tǒng)所需的功率，僅風(fēng)力等級(jí)為6級(jí)時(shí)的極個(gè)別工況無(wú)法提供系統(tǒng)運(yùn)行所需功率。

圖2 轉(zhuǎn)速－功率關(guān)系圖

在船舶航行速度較低且主機(jī)轉(zhuǎn)速較低的情況下，主機(jī)只能提供維持船舶正常運(yùn)行所需的功率；隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，其已經(jīng)無(wú)法提供達(dá)到目標(biāo)航速的功率，如果繼續(xù)航行，必然造成主機(jī)損傷及船舶運(yùn)行故障。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率

結(jié)合仿真結(jié)果，繪制推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)效率隨著風(fēng)浪方向角、風(fēng)力等級(jí)、航行速度變動(dòng)的趨勢(shì)圖，據(jù)此可知，當(dāng)風(fēng)浪方向角取0°時(shí)，船舶航行速度位于4～14kn之間，風(fēng)力等級(jí)則在0～6級(jí)之間變化。在風(fēng)力等級(jí)既定且位于5級(jí)以下時(shí)，船舶推進(jìn)效率隨航速的增大而增大，直至航速增至13～14kn后，推進(jìn)效率不增反降。此外，在船舶航行速度既定時(shí)，隨風(fēng)浪方向角的變化，船舶推進(jìn)效率的變化幅度不超出1%。

3.船舶航速優(yōu)化

船舶航行期間，航速的確定必須考慮諸多方面。航行速度越快，運(yùn)輸時(shí)間越短，但船舶耗油量和二氧化碳排放量也隨之增大。為確定最優(yōu)航速，必須尋求使船舶能效最高且油耗、運(yùn)行成本、船舶主機(jī)能效指數(shù)最低的方案。

進(jìn)一步分析表明，在0級(jí)風(fēng)、0°風(fēng)浪方向角時(shí)，當(dāng)船舶航行速度達(dá)到13.2kn時(shí)，船舶推進(jìn)效率最高，船舶主機(jī)能效指數(shù)較低，為此，本文以13.2kn為基于通航環(huán)境影響的目標(biāo)船舶最優(yōu)航速。

在6級(jí)風(fēng)、0°風(fēng)浪方向角時(shí)，隨著航行速度的加快，船舶推進(jìn)效率呈快速增大趨勢(shì)，而船舶主機(jī)能效指數(shù)先降后升。當(dāng)航行速度達(dá)到12.6kn時(shí)推進(jìn)效率最高，而船舶主機(jī)能效指數(shù)最低。為此，以12.6kn為該通航環(huán)境影響下的目標(biāo)船舶最優(yōu)航速。然而，結(jié)合船舶運(yùn)行實(shí)際，在6級(jí)風(fēng)力條件下，航行速度若超出12kn，則會(huì)面臨船舶主機(jī)無(wú)法提供充足功率且主機(jī)能效運(yùn)營(yíng)指數(shù)升高的情形，為此，在通航環(huán)境下遭遇6級(jí)風(fēng)力時(shí)，建議調(diào)整航行路線；本文分析中也暫不考慮6級(jí)風(fēng)力。

通過(guò)以上方法依次計(jì)算不同工況下船舶最優(yōu)航行速度，計(jì)算過(guò)程中，風(fēng)力等級(jí)為0～5級(jí)，風(fēng)浪方向角在0～180°之間變化。根據(jù)分析結(jié)果，最優(yōu)航行速度位于13.16～13.45kn之間，且風(fēng)力等級(jí)越大，風(fēng)浪方向角越小，航行速度波動(dòng)也越劇烈。在以上最優(yōu)航速范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)船舶能效最高，且船舶主機(jī)能效運(yùn)營(yíng)指數(shù)較低。

4.結(jié)論

綜上所述，船舶航行速度與能效受到諸多因素的影響，結(jié)合Beaufort風(fēng)力等級(jí)及風(fēng)阻力計(jì)算公式得出不同風(fēng)力作用下船舶所承受的風(fēng)力增阻值，為不同風(fēng)向角下船舶航行速度、風(fēng)速及風(fēng)向關(guān)系的確定提供了科學(xué)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)組成及能量傳遞關(guān)系的仿真分析，得出的不同風(fēng)力等級(jí)、風(fēng)浪方向角及航行速度下船舶主機(jī)輸出功率和軸系傳動(dòng)效率的變化趨勢(shì)，為復(fù)雜通航環(huán)境下船舶航速優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。