船舶EEDIweather中系数fw的快速预报方法研究

李建鹏， 李传庆， 邢 磊， 何惠明

(航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

0 引 言

海洋运输是全球货物运输中运用最广泛的一种方式，占国际贸易总运量的2/3以上。船舶作为运输载体，其日趋大型化使得运载量大大增加，为低值大宗货物的运输提供了有利条件。不过不可忽视的是，船舶在大海中航行会排出大量的CO2，从而污染环境。据权威部门统计，海洋运输年排放CO2量达到10亿t，占全球CO2排放总量的3%～4%[1]。为降低CO2的排放量，减少对环境的污染，国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)已于2013年1月1日强制实施船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index, EEDI)，适用于所有新造400GT及以上国际航行船舶。这一政策可以有效控制船舶温室气体排放的措施[2]。虽然我国是造船大国，但造船技术还比较落后，与发达国家之间的差距较大，EEDI政策的强制实施，势必对我国的造船业产生重大影响，同时也是努力提高自身技术的机遇[3-4]。

船舶EEDI的计算公式适用于传统的柴油机带动螺旋桨的推动方式，其计算公式为

(1)

式(1)中：fw为表示船舶在波高、浪频和风速等代表性海况下的航速降低情况的无量纲系数，当fw=1.0时，不考虑风浪对船舶的影响；当fw≠1.0时，即考虑了环境因素。该公式变为EEDIweather，能全面衡量船舶CO2的效能指标，作为自愿导则推荐论证，此时fw可通过耐波性试验获得，且对attained EEDIweather的计算有着重要影响，决定该船是否能够通过能效评估。

为建立快速实用的fw预报方法，在研究过程中挑选了8艘典型船进行系列耐波性模型试验，选择的模型遵循当代性、代表性、广泛性三原则，试验对象涵盖散货船、油船、集装箱船。以试验结果为基础，结合ITTC推荐的RTIM方法，计算船舶在EEDI海况中的fw；同时，对结果进行回归分析，得到能够快速预报fw的工程计算方法，为船型开发设计提供参考。

2 迎浪规则波模型试验

2.1 船型基本资料

试验选取了10艘典型船加工模型，其中散货船3艘、油船2艘、集装箱船3艘，对每艘船模进行设计吃水状态下的迎浪规则波试验，实船具体参数见表1。

表1 试验船基本资料

2.2 试验水池及测试仪器

该试验在上海船舶运输科学研究所拖曳水池(该水池是国际拖曳水池(ITTC)正式成员单位)中进行。水池长为192 m、宽为10 m、深为4.2 m，试验采用集成化数据采集分析系统；所用到的造波装置为电液伺服式造波机，最大波高0.3 m，造波频率范围为0.25～2.0 Hz；适航仪采用GEL-430-S四自由度适航仪，可测量纵摇、横摇、纵荡、垂荡以及波浪中的阻力；浪高仪采用无接触式浪高仪，并置于拖车前端，可避免船体兴波对波浪测量造成干扰，提高入射波测量精度。

2.3 试验数据处理方法

迎浪规则波模型试验结果采用波浪增阻无因次频率响应曲线，横坐标为波长、船长比，即λ/Lpp;纵坐标为波浪中阻力增值KΔR，其表达式为

(2)

ITTC双参数谱为

(3)

船舶在实际海况中的阻力增加为

(4)

2.4 风阻力计算方法[5]

风阻力Rwind采用经验公式计算，即

(5)

2.5 EEDI海况[7]

EEDIweather中的fw以EEDI海况下的计算结果为准，海况具体信息见表2。

表2 EEDI海况

2.6 船舶在波浪中fw预报方法

阻力推力法(RTIM)假定螺旋桨在波浪中的敞水性能与静水中的一致，目前通过一些波浪中敞水试验研究发现，在螺旋桨浸深足够的情况下该假设成立[8]。RTIM的具体程序：

船舶在实际海况下的总阻力Rts为

Rts(V)=R0(V)+Rwave(V)+Rwind(V)

(6)

式(6)中：R0(V)为静水中的阻力；Rwave(V)为波浪中增阻；Rwind(V)为风阻。

螺旋桨发出的推力为

(7)

螺旋桨进速为

VA=(1-w)VS

(8)

式(6)～式(7)中：w与t为实船的半流分数与推力减额，两者均可以由航模自航试验数据得到。

实桨负荷系数为

(9)

(10)

波浪中的有效功率

Pew=Rts(V)V

(11)

波浪中螺旋桨收到功率

(12)

根据不同海况下计算得到的Pd，绘制Vs—Pd曲线图(见图1)，得到实际海况下船舶航行速度相对静水中航速的差值ΔV，即可计算出fw。

按照该方法计算得到的8艘模型的fw见表3。

图1 功率航速曲线

表3 各船型在波浪中的气象因子fw

3 多元回归

进行模型试验需要花费大量的时间、人力和财力，为充分利用模型试验结果，对其进行回归分析，建立经验公式，并推广至工程应用中，以方便快捷预估船舶在波浪中的气象因子fw[9]。

采用的回归公式

(13)

式(13)中：C1,C2,C3,C4为系数，分别是C1船长因子，C2浪级因子，C3风级因子，C4-船型因子，各表达式分别为

(14)

C2=T1·H1/3

(15)

C3=H1/3·A

(16)

式(13)～式(16)中：T1为波浪特征周期；H1/3为有义波高；A为船体迎风面积。对于C4，一般常规船取1，集装箱船取0.4，肥大球艏船取1.05。为了方便使用，将上述多远回归分析编写成程序软件(见图2)。

采用回归分析方法预报出8艘船舶的气象因子，并与实验结果进行对比，结果见表4。从计算结果看，相对误差均在5%以内，可以满足工程计算要求。

4 结 语

fw在EEDIweather计算过程中有着相当重要的地位，通过一系列的模型耐波性试验，结合RTIM方法,预报了各船在EEDI海况中设计航速下的fw，并将这些结果进行回归处理，得到了具有一定精度的回归公式。该公式可以方便、快捷地预估船舶fw，具有一定的工程应用价值。

图2 软件界面

表4 回归结果与实验结果对比

参考文献：

[1] 颜林. 国内船舶能效设计指数与CO2排放基线实船研究[J].武汉：武汉理工大学，2011.

[2] 李斌. 船舶能效设计指数和能效营运指数介绍及分析[J].世界海运, 2012：23-26.

[3] 柳卫东，陈兵. 新造船能效设计指数及其对船舶设计的影响[J].船舶工程, 2010, 32(2):17-21.

[4] 张丽瑛. 船舶能效设计指数及其未来对船舶业的影响[J].中国水运, 2011, 11(1):1-4.

[5] 魏锦芳，陈京普，周伟新. EEDI中船舶失速系数fw的计算方法与软件开发[J].中国造船，2010，51(3)：77-82.

[6] 陶尧森. 船舶耐波性[J].上海：上海交通大学出版社，1995.

[7] 中国船级社. 船舶能效设计指数(EEDI)验证指南[S].2012.

[8] R. 巴塔杳雅. 海洋运载工具动力学[M].邬明川，译.北京：海洋出版社，1982.

[9] 何惠明，董国祥，蒋永旭. 运输船舶在波浪中失速的近似估算[J].上海船舶运输科学研究所学报，2009, 32(2):6-9.