低速作業工況船模拖帶自航試驗

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(1.中國水產科學研究院 南海水產研究院，廣州 510250；2.武漢理工大學 交通學院，武漢 430063)

隨著海洋油氣資源開發、魚類捕撈逐漸向深遠海發展，近海供應船、錨作拖船、鋪管船、物探船、挖泥船、拖網漁船等各類船舶得到了越來越廣泛的應用。這些船舶均屬于典型的多工況船舶，其常用的工況包括自由航行工況和低速拖帶航行工況(對于帶有動力定位要求的船舶則還包括系柱工況)，以往的研究大多只關注自由航行工況，而對于拖帶航行工況則較少涉及。不同于自由航行工況，船舶在拖帶作業工況下往往對應著較低的航速(甚至零航速)和較大的螺旋槳負荷，船槳相互影響表現出明顯不同的特征，在系柱工況下，伴流分數和相對旋轉效率也失去其原有意義[1]。雖然第26th國際拖曳水池會議(ITTC)在其自航試驗推薦規程“7.5-02-03-01.1”中給出了系柱拖力試驗和拖帶自航試驗的建議方法，但并沒有涉及實船拖力預報[2-3]。為此，提出一套船模拖帶自航試驗方法。

1 船模拖帶自航試驗及實船拖力預報方法

1.1 船模拖帶自航試驗方法

船模拖帶自航試驗與一般意義上的自航試驗流程基本一致，采用相同的船模、螺旋槳及測試系統，兩者最主要的區別在于進行船模拖帶自航試驗時需在船模上施加一向后的船模拖力FPM。船模速度為VM，拖帶自航下的力系平衡關系見圖1。

圖1 拖帶自航下的力系平衡示意

在低速拖航工況下，對于指定的實船拖力FPS，施加于模型的船模拖力FPM為一定值，兩者滿足縮尺比的三次方關系，

(1)

式中：ρM,ρS——模型和實船對應的水密度；

λ——縮尺比。

在考慮推力減額t后，力的平衡關系為

T(n)×(1-t)=FPM+RM-Z(n)

(2)

拖帶自航試驗雖然對應于較低的航速，但仍需進行摩擦阻力修正以確定實船自航點。其確定方式與常規自航試驗一致，即強制力Z(n)與拖航航速對應的摩擦阻力修正FD平衡時正好對應于實船的自航點，試驗中需記錄的數據包括螺旋槳的轉速nM，推力TM以及轉矩QM。摩擦阻力修正值按下式進行計算[4]

(3)

式中：RM,RS——同弗氏數船模和實船阻力。

由式(3)可見，對于某一確定的拖帶航速VM，RM與FD均為定值。根據公式(1)和(2)，當要求的實船拖力發生變化時，船模拖力、螺旋槳所需發出的推力，以及螺旋槳需要的轉速均隨之變化，螺旋槳工作點的變化意味著其將產生不同的抽吸作用，從而通過對流場產生影響，一定程度上也將改變最終的船槳相互影響特征。

對于系柱工況，船模阻力和強制力均為零，螺旋槳的有效推力等于船模系柱拖力

T(n)×(1-t)=FBPM

(4)

注意船模系柱拖力FBPM不同于低速拖航工況下的船模拖力FPM，前者根據模型試驗測得，而后者是根據實船拖力要求按公式(1)計算所得并預先施加于船模上。由式(4)不難看出，當螺旋槳轉速不同時，螺旋槳發出的推力不同，船模系柱拖力不同，隨之變化的還包括推力減額分數。為此，第26th ITTC建議在進行系柱拖力試驗時，需進行不同轉速的試驗以充分考慮不同負荷對推力減額分數的影響，并建議從100%MCR依次遞減至40%MCR，這也從側面表明業內已逐漸認識并重視螺旋槳負荷對推進因子的影響。

1.2 實船拖力預報方法

常規自航試驗通常是在設計航速附近選定幾個航速，分別進行自航試驗，然后根據自航試驗結果預報實船達到該航速所需的收到功率，再通過與實船主機能夠提供的收到功率進行比較以完成最終的航速預報。對于拖帶航行工況同樣可采用上述方法進行航速預報，其惟一的區別在于計算螺旋槳需要發出的推力時應同時考慮實船阻力RS與實船拖力FPS，其量綱一的量形式為

(5)

式中:N，D——實船螺旋槳轉速和直徑。

RS可根據RM按二因次或三因次方法進行換算，需注意的是此時FPS為給定值，不隨航速變化。另外，在進行實船性能預報時，仍假定推力減額分數和相對旋轉效率不受尺度效應影響，而實船伴流分數可根據笹島秀雄方法進行換算[3]

(6)

式中：wS,wM——實船和船模伴流分數；

CFS，CFM——實船和船模的摩擦阻力系數。

根據以上步驟可預報給定主機功率，且穩定輸出指定拖力的情況下實船所能達到的航速。但實際情況往往是拖航工況的航速一般根據作業要求而設定，如2 kn鋪管工況、5 kn挖泥工況、6 kn拖網工況，等等，相反實船的拖力預先是未知的，且鋪管設備、耙頭/絞盤、網具等設備的阻力隨航速的變化也不可能固定不變。因此，對于拖航性能預報而言更具現實意義的應該是在給定的航速下預報所能提供的拖力，而非在給定的拖力下預報所能達到的航速。

考慮到螺旋槳負荷對船艉流場的影響，并結合上述拖航作業實際情況，筆者認為在進行拖帶自航試驗時，不應按照常規自航試驗采取變航速固定拖力的方式進行，而應采取固定航速變拖力的方式來進行。其步驟大致如下。

1)在作業工況對應的船模速度下，假定若干個實船拖力，根據式(1)計算船模拖力并分別施加于船模，進行拖帶自航試驗。

2)根據要求的實船拖力及自航試驗結果，計算實船所需要的主機功率。

3)將上一步所得要求拖力-需要主機功率曲線與實船主機功率相交，可得最終實船拖力。

2 案例船分析

2.1 主尺度及工況說明

選取一艘拖網漁船開展拖帶自航模型試驗研究，該船采用圓舭線型，帶球艏，雙機雙槳，表1給出了實船主尺度及相關參數。

表1 實船主尺度及相關參數

2.2 系柱拖力試驗

針對系柱工況，選取300～700 r/min轉速分別進行系柱拖力試驗，在不考慮尺度效應的前提下，根據式(6)可初略估計實船所需收到功率，所選轉速對應的主機負荷范圍為11%～138%MCR。

(6)

圖2給出了不同主機負荷情況下的船模拖力及推力減額分數曲線。可以看出，隨螺旋槳轉速的增加，船模系柱拖力逐漸增加，推力減額分數同樣呈增加趨勢，在達到80%MCR后趨于穩定，但由于該船底部非常平坦，推力減額絕對量級很小，其總的變化并不明顯。

圖2 系柱拖力試驗結果

2.3 拖帶自航試驗

1)變航速固定拖力方式。按照常規變航速固定拖力的方式進行拖帶自航試驗。根據給定的實船要求拖力FPS=78.5 kN，由式(1)計算得船模拖力FPM=41.85 N，并施加于船模，依次在5個速度下進行拖帶自航試驗。表2和圖3分別給出了實船船型因子隨航速變化特征，圖4給出了實船螺旋槳凈拖力為78.5 kN時的航速預報結果，在主機功率儲備10%，軸系及齒輪箱效率均為0.97時，實船航速可達6.53 kn。

表2 FPS=78.5 kN時船型因子及所需收到功率

圖3 FPS=78.5 kN時船型因子隨航速變化曲線

圖4 FPS=78.5 kN時航速預報

2)固定航速變拖力方式。針對指定的6 kn拖網工況，隨后進行了變拖力的拖帶自航試驗研究。表3和圖5分別給出了實船船型因子隨拖力變化特征。不難看出，隨負荷的增加，螺旋槳轉速增加，船型因子均呈現出比較明顯的變化。圖6給出了實船航速為6 kn時的拖力預報結果，在相同的主機功率儲備及機械傳遞效率下，螺旋槳凈拖力為85.8 kN。

表3 VS=6 kn時船型因子及所需收到功率

圖5 VS=6 kn時船型因子隨拖力變化

圖6 VS=6 kn時拖力預報

相比較變航速固定拖力方式，采用固定航速變拖力方式可更真實地模擬實際螺旋槳負荷狀態，從而準確地反映船槳相互影響特征，為后續船機槳匹配設計或拖力預報提供合理的輸入參數。另一方面其預報實船拖力更為直觀，在圖6上可直接讀出實船主機功率對應的實船拖力，使用更為方便。

3 結論

1)船模拖力變化時，螺旋槳工作點發生變化，將對船型因子產生一定的影響。

2)采用固定航速變拖力的方式進行拖帶自航試驗，進而預報實船拖力，可更真實地模擬實際螺旋槳負荷，從而準確地捕捉拖航工況下的船型因子，且預報實船拖力更為方便，使用也更為直觀。但由于本文選擇的船型艉部比較平坦，推力減額和伴流分數絕對值均比較小，在試驗中各量總的變化均不大，后續研究中可選擇艉型相對豐滿的船型來進行研究，以便充分地證明本文提出方法的合理性和適用性。

[1] MINCHEV A, NIELSEN J R, LUNDGREN E. Ducted propeller design and verification for contemporary offshore support vessels[C]∥Proceedings of First International Symposium on Marine Propulsors (SMP’09), Trondheim, Norway, 2009.

[2] Propulsion/Bollard Pull Test[C]∥International Towing Tank Conference, ITTC-Recommended Procedures and Guidelines (7.5-02-03-01), Rio de Janeiro, Brazil, 2011.

[3] 郭春雨，趙慶新，趙大剛.基于CFD仿真模擬的船模自航試驗數據處理[J].船海工程，2013，42(3)：17-20.

[4] 盛振邦,劉應中.船舶原理：下冊[M].上海：上海交通大學出版社, 2003.