5 668 TEU集装箱船球艏改型与浮态节能的实船验证

伍 锐， 季 盛， 陈昌运， 文逸彦， 崔 健， 车霖源， 马卫星

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

2017-04-21

工信部高技术船舶科研计划项目([2014]502)

伍 锐(1983—)，男，四川内江人，助理研究员，硕士，主要从事水动力试验研究。E-mail:wurui@sssri.com

1000-4653(2017)03-0083-05

5668TEU集装箱船球艏改型与浮态节能的实船验证

伍 锐， 季 盛， 陈昌运， 文逸彦， 崔 健， 车霖源， 马卫星

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

针对目前集装箱船大多处于偏离原设计状态的低载货量及降速航行状态，快速性较差的问题，提出球艏改型和浮态节能技术2种节能方案，并以5 668 TEU型集装箱船为例对这2种节能方案进行实船验证。研究分析该型集装箱船的实际营运状态特点，阐释球艏改型与浮态节能的关系，拟定实船验证的技术路线。通过对2艘姊妹集装箱船(原球艏船和改型球艏船)进行试航，对球艏改型(船)和浮态节能技术进行实船验证。经验证，球艏改型和浮态节能技术的效果明显，且改型球艏船更加适应低载货量、降速航行的营运现状。

集装箱船；球艏改型；浮态节能；实船验证；试航

由于航运市场持续低迷，目前集装箱船实际营运的载况和航速均偏离原设计状态，原设计球艏易露出水面，会对船体兴波产生不利干扰，增大船舶的阻力。解决该问题有以下2种方法[1-11]：

1)球艏改型方案。根据船舶营运情况，兼顾多个吃水和航速状态，采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法优选球艏方案，并进行船模试验，确定实船球艏改型方案。

2)浮态优化方案。通过调节纵倾实现节能。一般通过模型试验进行纵倾节能研究，绘制纵倾节能谱线，并开发纵倾优化应用软件。

这里根据5 668 TEU型集装箱船营运状态变化的特点，解释球艏改型与浮态优化的关系，并拟订实船验证的技术路线。通过2艘姊妹集装箱船(分别为原球艏船和改型球艏船)的实船试验，对球艏改型和浮态优化的节能效果进行验证。

1 营运状态的变化特点

该型集装箱船的设计吃水为12 m，原球艏高约11 m，设计航速约26 kn，为单载况优化船型。对该船2012年全年的营运资料进行分析发现：

1)营运航速主要在16.0～20.5 kn，低于设计航速。

2)在12 m吃水以下营运的概率为60.7%，低于设计吃水。

3)营运浮态主要为艉倾状态。

4)实际航行中原球艏高于设计值，达44.28%。分析认为，将球鼻艏高度降低到9.5 m后，球艏出水率将降低到14.94%，能在大部分载况下发挥节能作用。

2 球艏改型与浮态优化的关系

艉球艏改型与浮态优化的关系示意见图1。以平均吃水9.5 m为例，原球艏在平浮、艉倾和艏倾下均出水；改型球艏在平浮时正好与水面齐平，艏倾时埋于水面以下，艉倾时出水。球艏出水后起不到减小兴波阻力的作用。因此，针对实际营运状态的变化特点，降低球艏高度，并采用平浮或艏倾进一步使球艏埋在水下一定深度，有利于减小兴波阻力，降低主机能耗，达到节能减排的目的。

图1 球艏改型与浮态优化的关系示意

3 技术路线

对于浮态优化节能效果的实船验证，可通过改变纵倾，在相同航速下分别测量船舶在不同纵倾浮态下的轴功率，直接进行功率比较来实现。

球艏改型节能实船验证很难满足理想条件。原球艏船的污底情况与改型球艏船不同。实船试验时的吃水由营运情况决定，不能保证2艘船舶的实船试验在相同的吃水下进行。因此，2艘船舶的实测功率不能直接比较。首先需对实船试验修正结果和模型试验预报结果进行相关分析，得到船模-实船功率相关因子后将模型试验预报结果修正到实船，最后进行相应状态下2艘船的轴功率比较。实船验证技术路线见图2。

图2 实船验证技术路线

4 实船试验

4.1实船试验方法

在船舶到达测试水域之后，记录天气和海况，依次按照16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速直线航行，并保持主机转速和航向不变(少操舵，避免大舵角)，进行3个航速下的功率测试，每次测量时间≥10 min。在完成测试之后，调转船头，沿与原航向相反的航向进行3个航速下的功率测试。合计完成往返各6个航次、3个航速的实船试验。

4.2原球艏船实船试验

4.2.1原球艏船实船试验数据记录

实船试验数据见表1和表2，其中：统计浮态由2012年统计浮态回归得到；最佳浮态由上海船舶运输科学研究所研发的原球艏集装箱船浮态优化系统得到。

4.2.2原球艏船实船试验数据分析

实船试验数据采用2012版国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference, ITTC)实船快速性试验数据修正方法修正，分别得出16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速下的轴功率与浮态节能的百分比(见表3和图3)。

4.3改型球艏船实船试验

4.3.1改型球艏船实船试验数据记录

实船试验数据见表4和表5，其中：统计浮态由2012年的统计浮态回归得到；最佳浮态由上海船舶运输科学研究所研发的改型球艏集装箱船浮态优化系统得到。

4.3.2改型球艏船实船试验数据分析

实船试验数据采用2012版ITTC实船快速性试验数据修正方法修正，分别得出16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速下的轴功率与浮态节能的百分比(见表6和图4)。

表1 原球艏船实船试验载况和环境条件记录

表2 原球艏船实船试验航速功率记录

表3 原球艏船不同浮态实船航速功率对比

5 船模-实船相关性分析

船模试验采用ITTC：1978标准预报方法预报实船功率。改球艏船刚出坞，污底的影响可忽略。由实船-船模相关分析可得相关功率因子Cp=1.03。原球艏船Cp的取值与改球艏船相同。经分析，该船需再额外考虑污底影响导致的功率增加。

6 实船验证试验总结

对不同航速和吃水条件下的集装箱船球艏改型和浮态节能数据进行汇总，结果见表7。

因为实船测试原球艏船平均吃水在12.5 m左右，表7中列出的原球艏船平均吃水9.5 m处的实船测试数据是在确定功率因子Cp后通过模型-实船换算方法计算出来的(各浮态下的艏艉吃水实际取值与改型球艏船实船测试中各浮态下的艏艉吃水一致)。改型球艏船平均吃水12.5 m数据采用相同方法处理的同时，考虑4%左右的污底影响，以便与原球艏船实测数据中的污底影响保持一致。

表4 改型球艏船实船试验载况和环境条件记录

表5 改型球艏船实船试验航速功率记录

表6 改型球艏船不同浮态实船航速功率对比

图3 原球艏船不同浮态实船功率对比

图4 改型球艏船3种浮态实船功率对比

航速/kn平均吃水/m浮态节能/%原球艏船型改球艏船型平浮浮态最佳浮态平浮浮态最佳浮态球艏改型节能/%球艏改型与浮态优化综合节能/%统计浮态平浮浮态最佳浮态改型平浮浮态较原型统计浮态改型最佳浮态较原型统计浮态16．017．519．09．510．511．512．59．510．511．512．59．510．511．512．5预报实船预报预报预报实船预报实船预报预报预报实船预报实船预报预报预报实船3．556．262．737．246．595．807．569．1413．351．254．200．836．554．704．297．045．4910．942．969．293．147．438．618．786．7411．4815．404．7712．773．076．137．976．320．9610．8013．618．6911．623．028．253．57-2．43-0．116．4811．52-12．57-9．443．95-0．51-13．022．034．832．305．733．844．114．756．069．35-0．352．562．545．681．023．874．183．546．642．776．783．066．726．306．586．239．1712．594．2310．743．406．835．504．681．368．7111．957．6411．523．5510．611．92-2．430．915．4012．32-10．81-10．041．58-0．74-11．462．076．302．016．403．683．623．795．629．850．034．211．495．471．042．482．352．516．452．117．062．676．914．204．744．046．7610．823．679．063．156．823．362．840．996．419．967．7710．773．6210．710．79-3．680．734．3811．42-8．02-8．310．71-1．03-8．96

7 结束语

通过对不同营运状态下的5 668 TEU型集装箱船原球艏船和改球艏船进行实船试验，得出以下结论：

1)浮态优化节能效果显著。原球艏船在平均吃水12.5 m左右、航速16.0～19.0 kn范围内，最佳浮态节能效果达8.02%～12.57%，与模型试验预报结果基本一致；改球艏船在平均吃水9.5 m左右、航速16.0～19.0 kn范围内，最佳浮态节能效果达5.47%～6.55%，与模型试验预报结果基本一致。

2)球艏改型更加适应集装箱船低载货量、降速航行的营运现状。在相同航速和相同浮态下，轻载时球艏改型的节能效果更佳；在相同平均吃水和浮态下，低速时球艏改型的节能效果更佳；在统计浮态，航速为16.0 kn，平均吃水10.5 m状态下，球艏改型节能效果最高可达8.61%。

在低航速和低吃水状态下，改球艏船的平浮节能效果优于原球艏船，充分证明球艏改型更加适应集装箱船低载货量、降速航行的营运现状。

3)球艏改型与浮态优化综合节能效果更加优异。球艏改型和浮态优化综合节能效果优于只采用浮态优化措施的节能效果。在平均吃水10.5 m，航速16.0 kn时，球艏改型和浮态优化的综合节能效果(15.40%)优于原球艏船的最佳浮态(9.29%)。

[1] 伍锐,季盛,文逸彦，等.集装箱船浮态优化与球艏改型节能技术的实船验证[C]//聚焦应用支撑创新——船舶力学学术委员会测试技术学组2016年学术会议论文集.无锡:船舶力学编辑部，2016：251-261.

[2] 崔健,车霖源,伍锐.5 668 TEU集装箱船球鼻艏改型与浮态节能实船测试研究报告[R].上海:上海船舶运输科学研究所,2014.

[3] 车霖源,陈昌运,马卫星,等.5 668 TEU集装箱船球鼻艏改造节能研究[J].中国航海,2015,38(2):109-113.

[4] 马卫星,车霖远,崔健.浮态节能技术在某型集装箱船上的应用[J].中国航海,2015,38(3):112-115.

[5] 彭斌.船舶节能技术综述[J].舰船科学技术,2005,27(S1):3-6.

[6] 陈文芝.现代船舶节能技术综述[J].武汉造船,1996(3):48-50.

[7] MATULJA D, DEJHALLA R. Genetic Algorithm Optimization of A Ship's Bulbous Bow [C]//Annals of DAAAM for 2011 & Proceedings of the 22nd International DAAAM Symposium, 2011：15-16.

[8] 侯立平.节能型集装箱船型研究[J].船舶与海洋工程,2013,95(3):27-29.

[9] 黄炜.船舶节能减排的建议及思考[J].中国水运(下半月),2009,9(11):64-65.

[10] 刘英良. 基于CFD的超大型集装箱船型线优化研究[D]. 北京：中国舰船研究院，2014.

[11] KARRI KRISHNA M. Hull Shape Optimization for Wave Resistance Using Panel Method [D]. New Orleans: University of New Orleans, 2010.

FullScaleValidationofBulbousBowRetrofitandTrimOptimizationfor5668TEUContainerVessel

WURui,JISheng,CHENChangyun,WENYiyan,CUIJian,CHELinyuan,MAWeixing

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

Due to the weak shipping market, most container vessels are in a state of low cargoes and slow steaming at present, which deviates from the original design point, leading to poor power-speed performance. To solve this problem, two energy saving measures are proposed, i.e. bulbous bow retrofit and trim optimization energy-saving technologies, for a certain type of container vessel. The container ships’ navigational data are analyzed to master the characteristics of the navigation condition; The relationship between bulbous bow retrofit and trim optimization is studied to work out the technical route; Sea trials of two sister container vessels (an original bulbous bow ship and a retrofit bulbous bow ship) are carried out to validate the bulbous bow retrofit and trim optimization. It is proved that bulbous bow retrofit and trim optimization are effective for energy-saving, and the bulbous bow retrofit technology fits perfectly to the current status of low cargoes and slow steaming.

container vessel; bulbous bow retrofit; trim optimization; full scale validation; sea trial

U674.13+1

A