ISO與BSRA航速修正方法計算實例分析

陳勝蘭

（滬東中華造船有限公司上海200129）

ISO與BSRA航速修正方法計算實例分析

陳勝蘭

（滬東中華造船有限公司上海200129）

ISO航速修正方法；BSRA航速修正方法；計算實例修正結(jié)果對比分析

介紹了ISO與BSRA航速修正方法，并通過采用ISO和BSRA航速修正方法分別對計算實例進行航速修正，得出ISO修正方法可以獲得更高的航速指標，并對ISO航速修正方法的合理性和適用性提出建議。

0 引言

船舶的航速是一個很重要的性能指標，關(guān)系到能否滿足規(guī)格書的要求和順利交船。實船航速測試無法在船模試驗的理想環(huán)境條件下進行，需要采用適當?shù)暮剿傩拚椒ǎ言嚭綌?shù)據(jù)修正到理想狀態(tài)下以檢驗是否滿足合同的要求。一直以來，國外的一些組織和專家一直致力于實船航速修正方法的研究，并在這一領(lǐng)域取得了重大的進展。90年代日本向ISO（國際標準化組織）提交了一份標準建議書，這份建議書被ISO采納，ISO組織在分析現(xiàn)有的修正方法后，以這份推薦的標準為基礎(chǔ)制定了一套實船航速修正方法ISO/FDIS 15016［1］。第23界國際水池會議（ITTC）［2］專門成立了實船測試專家委員會，對現(xiàn)有的一些修正方法進行系統(tǒng)的分析比較，會議的結(jié)論是沒有權(quán)威性的修正方法，并認為ISO/FDIS 15016修正方法是最全面的。本文簡單介紹了ISO和BSRA［3］（英國船舶研究協(xié)會）航速修正方法，通過采用ISO和BSRA方法分別對計算實例進行修正，對兩種修正方法的修正結(jié)果進行分析比較。

1 ISO航速修正方法介紹

要記錄船舶的對地速度、軸功率、螺旋槳轉(zhuǎn)速、相對風速風向，以及水深、波高、波的平均周期和入射波角度，并記錄水溫和海水密度，空氣溫度，同時觀察并記錄舵角和漂移的角度，準備好螺旋槳敞水曲線圖（KQ、KT-J），并繪制載荷系數(shù)－進速系數(shù)圖（τ-J）。

根據(jù)測得的數(shù)據(jù)進行分析，首先計算出此航速下總阻力?？傋枇Φ挠嬎愎綖椋?/p>

式中：ρ為海水密度；D為螺旋槳直徑；1-t為推力減額系數(shù)。這些可以由數(shù)據(jù)資料或船模試驗得到。此外，由記錄的軸功率數(shù)據(jù)可得到螺旋槳收到功率PD=PsηT，ηT為軸系效率；然后可得出扭矩系數(shù)KQ=500PDηR/π/ρ/D5/n3；再根據(jù)KQ，可由準備的螺旋槳敞水曲線圖（KQ、KT-J）和載荷系數(shù)－進速系數(shù)（τ-J），查得螺旋槳的進速系數(shù)J和載荷系數(shù)τ，見圖1。

圖1 螺旋槳性能曲線圖

于是，可以得到平均對水速度Vs=nDJ/（1-w）m。式中：（1-w）m為來回兩趟的平均伴流分數(shù)。每趟的伴流分數(shù)計算公式為：1-w=nDJ/VG，VG為測得的船舶對地速度。

1.1 對阻力增加的修正

由于外界環(huán)境如風，波浪、操舵、漂移、水溫、鹽度和排水量等的影響，使船舶的阻力有所增加，因此需要對船舶的阻力進行修正。

1.1.1 風作用引起的阻力增加RAA

其計算公式為：

式中：ρA為空氣密度，kg/m3；

AXV為橫剖面水上部分面積，m2；

VWR為相對風速，m/s；

CAA0為頂風條件下的風阻系數(shù)；

K（ψWR）為根據(jù)相對風向角ψWR所得到的風阻方向系數(shù)，可以通過船模的風洞試驗得到。

1.1.2 波浪引起的阻力增加RAW

其計算公式為：

式中：χ為波浪入射角，rad；

α為單元入射波的方向，rad；

f為單元入射波的頻率，Hz；

G為入射波的方向分布函數(shù)；

S（f）為入射波的頻率分布函數(shù)；

Δr/ζA2=Δr1/ζA2+Δr2/ζA2為規(guī)則波中阻力增加響應(yīng)函數(shù)，Δr1/ζA2表示規(guī)則波中輻射波作用下的波阻增加響應(yīng)函數(shù)，Δr2/ζA2表示規(guī)則波中衍射波作用下的波阻增加響應(yīng)函數(shù)。

1.1.3 操舵引起的阻力增加Rδδ

此時需要考慮舵面積、操舵引起的推力減額分數(shù)、流向舵的有效水流速度、舵角等。

1.1.4 漂移作用引起的阻力增加Rββ

其計算公式為：

式中：β指漂角，可以根據(jù)理論方法或其他方法來確定，rad；d為水深，m。

1.1.5 水溫和鹽度影響引起的阻力增加RAS

需要考慮合同指定的水溫和鹽度狀態(tài)下和試驗水溫和鹽度狀態(tài)下的水密度和摩擦阻力系數(shù)。

1.1.6 排水量偏差較大時引起的阻力增加RADIS

試驗狀態(tài)的排水量應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)，排水量偏差不應(yīng)超過指定排水量的2%，縱傾偏差不應(yīng)超過1%的船中吃水。因此,總阻力增加為：ΔR=RAA+RAW+Rδδ+Rββ+RAS+RADIS。阻力的增加對載荷系數(shù)的影響為：修正后的載荷系數(shù)為：τ1=τ-Δτ。根據(jù)τ1的值,利用螺旋槳性能圖（圖1），可以得到螺旋槳的進速系數(shù)J1和扭矩系數(shù)KQ1。螺旋槳轉(zhuǎn)速n1可由公式n1=n×J/J1得到，在圖2中以n1和KQ1繪制扭矩系數(shù)—螺旋槳轉(zhuǎn)速曲線KQ1-n1（●）。利用該曲線可以得出轉(zhuǎn)速為n的扭矩系數(shù)KQ′（n），根據(jù)KQ′的值再結(jié)合圖1，可得到螺旋槳進速系數(shù)J′和載荷系數(shù)τ′。

圖2 扭矩系數(shù)—螺旋槳轉(zhuǎn)速曲線

由于阻力增加對船速的修正

JH和JL是根據(jù)螺旋槳敞水曲線圖分別對應(yīng)于KQH和KQL的進速系數(shù)。

因此船舶在真空無波浪下以轉(zhuǎn)速n航行時的船舶對地速度VG′、螺旋槳收到功率PD′以及軸功率PS′分別為：

1.2 對潮流影響的修正

螺旋槳轉(zhuǎn)速為n（i）時，第（i+1）次的航速表示為：

平均潮流速度為：

式中：n（i+1）和n（i）分別為螺旋槳在第（i+1）和第i個航次中的轉(zhuǎn)速Hz；

VG″（i+1）和VG′（i+1）為船舶在第（i+1）個航次和第i個航次的對地速度m/s。

由VFM和時間可以得到時間歷時圖，在歷時圖中可以得到每個航次的中間時刻的潮流速度VF。因此，潮流的影響對船速的修正為：VS′=VG′+VF。

1.3 對空氣影響的修正

船舶在無風狀態(tài)下載荷系數(shù)的增量ΔτA計算公式為：

增加后的載荷系數(shù)τ2=τ′+ΔτA。由τ2并根據(jù)螺旋槳性能曲線圖（圖1），可以得到相應(yīng)的螺旋槳進速系數(shù)J2和扭矩系數(shù)KQ2。螺旋槳轉(zhuǎn)速n2由公式n1=n×J′/J2得到。

根據(jù)計算出來的一系列n2和KQ2繪制扭矩系數(shù)－螺旋槳轉(zhuǎn)速曲線KQ2-n2（◎），見圖2。從而，可以得到轉(zhuǎn)速為n時的扭矩系數(shù)KQ0。船舶在無風條件下的航速修正量ΔVS′計算公式為：

因此，船舶在無風無浪無潮流條件下以轉(zhuǎn)速n、航行時的船速VS″、螺旋槳收到功率PD0和軸功率PS0分別為：

1.4 淺水修正

ISO采用Lackenby法進行淺水修正［4］，公式為：

式中：ΔVS為淺水損失的航速；

VS為船速；

AM為水下橫剖面面積；

h為水深；

g為重量加速度。

2 BSRA航速修正方法介紹

BSRA（The British Ship Research Association）修正方法即英國船舶研究協(xié)會修正法目前正被廣泛采用，這是一種相對簡單實用的修正方法［5］，主要考慮風的影響、流的影響和淺水效應(yīng)影響，但未考慮對浪的修正。根據(jù)試航的實際情況，海況常常比較惡劣，因此，結(jié)合第24屆ITTC所薦對浪的修正方法，這樣綜合得出的修正結(jié)果更加全面。

BSRA修正方法根據(jù)測得的相對風向角，通過常見船型風阻系數(shù)與相對風向角曲線查得風阻系數(shù)，船模與實船之間的邊界層速度的區(qū)別以及風速表的實際位置和自由流層高之間的區(qū)別得到修正系數(shù)，再將該修正系數(shù)乘以風阻系數(shù)。根據(jù)修正后的風阻系數(shù)和船舶水線以上橫向的最大面積，由風阻計算公式得到風的阻力，再可以得到風的有效功率，最后根據(jù)推進系數(shù)得到為克服風的阻力而額外增加的功率。根據(jù)測得的螺旋槳收到功率扣除為克服風阻的額外功率，故對風的影響進行了修正。對淺水效應(yīng)的影響同樣采用Lackenby法修正方法。

3 計算實例修正結(jié)果對比分析

ISO修正方法以螺旋槳敞水性能曲線和螺旋槳負載條件為基礎(chǔ)，根據(jù)螺旋槳載荷系數(shù)建立力的平衡。在ISO 15016中有對一單槳油輪滿載狀態(tài)試航航速修正的計算實例，該試航水深500 m左右，故不需考慮淺水修正。對此試航數(shù)據(jù)同時采用BSRA修正方法，BSRA修正方法以有效功率曲線為基礎(chǔ)，并假定推進效率不隨螺旋槳載荷變化，BSRA未考慮對浪的修正，此處采用ITTC 24th會議推薦的公式對浪進行修正［5］。通過ISO提供的計算實例，對照采用BSRA方法進行修正，能更直觀地分析對比ISO和BSRA修正方法。ISO和BSRA修正過程如表1和表2，根據(jù)ISO和BSRA修正方法的修正結(jié)果，繪制如圖3功率—航速曲線圖。

另對一現(xiàn)有大型散貨輪壓載狀態(tài)試航航速運用ISO和BSRA方法分別進行修正，從而進一步對比分析修正結(jié)果。該輪所處海況波高為1m，采用ISO修正方法需要知道試航海域的波譜、入射波方向分布和波阻增加響應(yīng)函數(shù)等，故波浪增加阻力采用ISO15016計算實例中同樣波高1m的波浪阻力。由于最后的航速是取每趟順流和逆流的平均值，故不考慮潮流的修正。ISO和BSRA修正過程如表3和表4，根據(jù)修正結(jié)果，繪制如圖4功率—航速曲線圖。

從以上兩個計算實例的修正過程和修正結(jié)果以及功率—航速曲線圖3和圖4，可以看出ISO航速修正曲線和BSRA航速修正曲線趨勢很接近，但ISO在指定功率下得到的修正航速更高，即更容易滿足合同規(guī)定的航速要求。ISO能獲得更好的性能指標，究其原因，從修正過程可以發(fā)現(xiàn)ISO在考慮風阻和波浪阻力時都更高于BSRA對風阻的計算和ITTC 24 th推薦公式對波浪阻力的計算，ISO對風阻的修正使用的風阻系數(shù)和風阻方向系數(shù)是從船模風洞試驗中得到的，且ISO對波浪修正的計算考慮了波浪入射角、入射波頻率、入射波方向等，考慮的因素比較多也更具體，這些使ISO修正補償?shù)暮剿俑唷?/p>

表1 ISO 15016提供的修正實例修正過程

表2 BSRA方法航速修正結(jié)果

圖3 功率—航速曲線圖（Pso-Vso）

圖4 功率—航速曲線圖（Pd-Vs）

表3 ISO修正過程如下：

表4 BSRA修正過程如下：

續(xù)表4

4 結(jié)語

ISO航速修正方法以螺旋槳負載條件和螺旋槳敞水性能為基礎(chǔ)，根據(jù)載荷系數(shù)建立力的平衡。該方法涉及了對風、波浪、潮流、淺水、操舵、漂移、水溫的修正，考慮較全面。ISO以螺旋槳的敞水性能為基礎(chǔ)，修正與船模試驗數(shù)據(jù)密切相關(guān)。與BSRA相比，ISO修正方法可以獲得更高的航速指標。但ISO考慮的修正因素里，對風阻的修正需要通過船模的風洞試驗得到風阻系數(shù)和風阻方向系數(shù)；對波浪的修正需要知道波浪入射角、入射波方向分布和阻力增加響應(yīng)函數(shù)等；對操舵的修正需要知道一些經(jīng)驗系數(shù)。這些因素操作起來過于復(fù)雜，難以用于實際。因此，BSRA修正方法相對更易于實現(xiàn)。不過，筆者也期待國際上盡早建立更合理、全面并易于運用的修正方法。

［1］ISO 15016.Ship and marine technology—guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data［S］.2002．

［2］The Specialist Committee on Speed and Power Trials.Final report and recommendations to the 23rd ITTC［A］，Proceedings of 23rd ITTC［C］.2002．

［3］Thomson G.R.BSRA Standard Method of Speed Trial Analysis［R］．BSRA Report NS 466，1978．

［4］Lacken by，H.Note on the effect of shallow water on ship resistance［R］．BSRA Report No．337，British Shipbuilding Research Association．1963.

［5］The Specialist Committee on Speed and Power Trials.Final report and recommendations to the 24th ITTC［A］，Proceedings of 24th ITTC［C］.2005.

Case study on ISO and BSRA speed correction methods

CHEN Sheng-lan
（Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.Ltd.，Shanghai 200129，China）

ISO Speed Correction Method；BSRA Speed Correction Method；correction comparison with case study

The ISO and BSRA speed correction methods are applied to a practical example in this paper.The comparison shows that the ISO method can obtain higher speed.Finally，some advice on the rationality and applicability of ISO speed correction method are proposed.

U661.3

A

1001-9855（2011）03-0011-07

2010-11-29；

2011-02-03

陳勝蘭（1982-），女，漢族，工程師，主要從事船舶總體設(shè)計工作。