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)
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。
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
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。
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)
风阻力Rwind采用经验公式计算,即
(5)
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
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
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。
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.