珠江閩江船舶航速預報算法開發及實船驗證

王曦，陳慶任，張偉，喻露

(中國船級社 武漢規范研究所，武漢 430022)

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珠江閩江船舶航速預報算法開發及實船驗證

王曦，陳慶任，張偉，喻露

(中國船級社 武漢規范研究所，武漢 430022)

根據內河船模試驗數據對船舶有效功率估算方法艾爾法進行修正，應用圖譜回歸公式計算螺旋槳推進功率，考慮船機槳匹配進行珠江、閩江船舶航速預報，通過實船試驗對航速預報結果進行驗證，結果表明，預報結果符合工程精度，具有良好的實用性，可用于珠江、閩江現有船舶標準化認定工作。

珠江閩江；航速預報；艾爾法；實船驗證

2011年7月，國際海事組織(IMO)海上環境保護委員會(MEPC)第62屆會議通過了《國際防止船舶造成污染公約》(MARPOL公約)附則VI有關能效規則的修正案，使船舶能效設計指數(EEDI)成為強制性要求，該修正案已于2013年1月1日生效實施。對內河船舶而言，交通運輸部發布的《內河運輸船舶標準船型指標體系》對燃料消耗、CO2排放指標提出了強制性要求[1]，并于2012年7月1日起生效。2014年12月公布的《內河運輸船舶標準化管理規定》，進一步對新船準入提出了指標體系強制性要求[2]。對珠江、閩江水系船舶而言，交通運輸部于2015年1月發布了《關于貫徹實施〈內河運輸船舶標準化管理規定〉有關工作的通知》，要求對珠江、閩江現有船舶進行標準化認定，而其中的難點是用于能效評估的船舶航速驗證，主要體現在以下兩方面。

1)按照《內河船舶能效設計指數EEDI評估指南》[3]，在設計階段需進行水池試驗測得額定主機功率下的船舶航速。與海船相比，內河航運附加值低、船舶設計費用少，在設計階段進行船模水池試驗的船舶很少，使得前期驗證流于形式，存在實船驗證不能通過的風險。

2)在最終驗證階段，需進行實船試驗。由于內河航道適應大型船舶試驗的順直深水航道不多，實船試驗工況又大多為空載工況，試驗環境條件和實船工況都受到很大的限制。

上述2點使得珠江、閩江現有船舶標準化認定工作難以得到有效落實。與此同時，目前珠江、閩江現有船舶數量高達幾萬艘，在時間、經費上都不可能采用船模試驗或實船試驗的方式來完成現有船標準化認定工作，故需要采用航速理論預報方法予以解決。本文采用修正的艾爾法進行船舶阻力估算，基于圖譜法進行螺旋槳的設計及推進性能計算，進而實現船舶航速預報算法的開發，并進行珠江、閩江實船試驗驗證。

1 航速預報方法

根據內河船模試驗數據和珠江、閩江實船試驗航速資料，對目前珠江船舶設計普遍采用的船舶有效功率估算方法艾爾法進行修正、驗證，并應用圖譜回歸公式計算螺旋槳推進功率，最后通過船機槳匹配進行珠江、閩江船舶航速預報。該航速預報算法流程見圖1。

圖1 航速預報算法開發流程

1.1 艾爾法的修正分析

艾爾法利用設計船與標模船之間的尺度差異，在標模船的功率系數的基礎上進行修正，從而估算設計船的船舶有效功率[4-6]。該方法適用范圍廣，對中低速船舶估算精度高，但它是基于海船資料回歸得出的估算方法，當其應用于內河船時需要進行一定的修正。為了使艾爾法能有效應用于珠江、閩江水系船舶阻力的估算，有必要對其進行針對性的修正分析[7]。

收集到40艘內河船舶(長江、珠江水系)的船模水池試驗數據，共有242個速度樣本點。這些船舶的主參數范圍見表1。利用艾爾法進行阻力估算，將計算結果與船模試驗數據進行比較分析，以此為基礎進行修正分析。

表1 船模試驗船舶參數范圍

艾爾法的阻力估算首先按Fr和L/Δ1/3查得標準系數C0，再根據Cb、B/T、xc、Lwl與標準船型的差異進行4個步驟的修正，其修正值分別為Δ1、Δ2、Δ3、Δ4。修正系數C4=C0+Δ1+Δ2+Δ3+Δ4，實際設計船的有效功率為

(1)

經過對242個速度點4個修正量的統計分析可知，其中關于xc、Lwl的修正量Δ3、Δ4較小，對結果影響不大；而Cb、B/T的修正量Δ1、Δ2較大。故只改進Cb與B/T的修正方法，使艾爾法更適用于珠江、閩江水系船舶的阻力估算。進一步對修正量Δ1、Δ2進行統計分析，發現對計算結果影響較大的因素，比較其估算誤差，最終完善確定Cb與B/T的修正方法和相關修正系數。

1.1.1 方形系數Cb的修正

當Fr較大時，標準方形系數Cbc與Cb之差較大，使得Cb的修正量過大而影響了計算精度。當Cb>Cbc時，艾爾法的修正系數Kbc為

(2)

對此，將其修正為：當Kbc<-10時，Kbc=-10。

則，修正量：Δ1=C0×Kbc，C1=C0+Δ1。

1.1.2 寬度吃水比B/T的修正

艾爾法的標準船型B/T=2，原修正方法為

(3)

式中：D20=B/T-2。

在此將D20修正為當B/T<3：D20=B/T-2；

當B/T>3：D20=2×B/T-5，如果Cb>0.87且B/T>3.5，D20=2×B/T-5.5；

且當D20>4：D20=4。

分別用原艾爾法和修正后的艾爾法對242個樣本點進行計算，將結果與試驗數據進行比較分析。將計算值與試驗值之間的相對誤差以5%為間距劃分區間并統計各區間分布的樣本比例，見圖2。

圖2 計算值與試驗值的相對誤差的分布

由圖2可見，原版艾爾法的結果相對誤差的絕對值大于5%的樣本點所占比例達70%；而修正艾爾法的結果則有69%的樣本點分布于-5%至5%之間，且95%處于-12.5%～12.5%之間。這表明修正后的艾爾法更適合于珠江、閩江船舶的有效功率估算。

1.2 螺旋槳推進功率的計算

內河船舶螺旋槳基本采用圖譜槳，包括MAU型槳和B型槳，這2種圖譜槳的kt、kq圖譜已有回歸公式可供直接計算。

推進因子根據經驗和船模試驗數據選取合適的經驗公式[8]伴流分數w和推力減額t為

(4)

式中：當Cb≤0.84時，f=0.143 5；當Cb>0.84時，f=0.132；n為螺旋槳個數；Dp為螺旋槳直徑。

(5)

式中：p、q為系數。

當Cb≤0.84時，p=0.292 5，q=0.169 7；

當Cb>0.84時，p=0.276，q=0.16；

Vs為服務航速，km/h。

1.3 航速預報

采用修正的艾爾法求得船舶有效功率曲線，采用圖譜回歸公式求得螺旋槳有效推功率和對應的主機功率，通過船機槳匹配得到給定工況下的船舶航速[9]。

2 實船航速驗證

在珠江、閩江水系現有船舶基礎數據庫中，根據影響船舶阻力的主要船型參數，并結合實際情況(船期、調配等)，篩選了14艘船舶作為實船測試典型代表船型，其中廣東6艘，廣西6艘，福建2艘，見表2。

采用本航速預報算法對這14艘船舶的航速進行預報，并將預報結果與實船測試結果進行對比，結果見表3。由表3可見最大誤差為10.8%，最小誤差為0.1%，有8艘船舶的誤差小于5%，預報航速與設計航速的誤差絕對值|ε|進行統計分析可知：|ε|<5%，占57.1%；|ε|<10%，占92.8%。

表2 實船試驗船舶列表

表3 實船試驗航速與航速預報結果的比較

通過珠江、閩江實船航速驗證結果表明，本文開發的航速預報算法與實船試驗結果相比，誤差在工程精度要求范圍之內。

3 結論

1)計算分析表明，Cb與B/T這2個船型參數對艾爾法的估算結果影響較大，故針對性地改進了Cb與B/T的修正方法，使艾爾法更適用于珠江、閩江水系船舶的阻力估算。

2)珠江、閩江實船驗證表明，本航速預報算法誤差在工程精度要求范圍內，具有良好的實用性，可用于珠江、閩江水系船舶標準化認定工作。

3)本文算法對極少數船舶預報不夠精確，建議在后續研究工作中按船型、方形系數等參數分類，進一步修正優化艾爾法，提高航速預報精度。

4)本航速預報算法可為其他水域類似尺度比船舶的EEDI航速預報提供參考。

[1] 交通運輸部.內河運輸船舶標準船型指標體系[S].北京：交通運輸部，2012.

[2] 交通運輸部.內河運輸船舶標準化管理規定[S].北京：交通運輸部，2014.

[3] 中國船級社.內河船舶能效設計指數EEDI評估指南[S].北京：人民交通出版社，2012.

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

[5] 黃宏波.船舶設計實用手冊[M].北京：國防工業出版社,2007．

[6] 劉桂杰,郭春雨,李茂華,等.船舶阻力圖譜計算與模型試驗結果比較分析[J].中國艦船研究,2014(3):38-42.

[7] 郭春雨,劉桂杰,周廣利,等.艾亞法與蘭潑凱勒法權重修正的船舶阻力預報[J].船海工程,2014(4):34-37.

[8] 郭春雨,陳月鋼,王成堯,等.肥大型船舶實效伴流分析及預報[J].船海工程,2014(4):47-50,54.

[9] 王建政,王藝真,張文平,等.船機槳匹配設計軟件研究開發[J].船舶與海洋工程,2014(1):45-49,56.

Development of Ship Speed Forecast Algorithm in Pearl River and Minjiang River and Verification by real ships

WANG Xi, CHEN Qing-ren, ZHANG Wei, YU Lu

(Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)

The Ayre’s method was modified according to the inland ship model test data, which can calculate the propeller propulsion power by using the map regression formula, forecast the ship speed in Pearl river and Minjiang river by matching the ship engine and propeller. The speed forecast results were verified by real ship tests. It was shown that the speed forecast algorithm meets the engineering accuracy and has a good practicability, which can be used in the standardization work of the existing ships in Pearl river and Minjiang river.

Pearl river； Minjiang river; speed forecast; Ayre method; real ship verification

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.010

2016-12-28

工業與信息化部高技術船舶科研項目

王曦(1983—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶性能/LNG船舶技術

U661.31

A

1671-7953(2017)04-0046-04

修回日期：2017-02-08