基于百噸級自航模的試驗平臺建設及應用

陳少峰，高麗瑾，惲秋琴，徐 杰，周偉新

(中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200001)

0 引 言

當今社會，科技發展日新月異，船舶行業在新形勢下，面對節能減排的目標，提出了許多新船型、新技術，并伴隨著產生了許多新規范、新測試手段，從而產生了許多傳統流體力學無法解決的新問題，如氣體減阻技術的尺度效應問題，船舶最小安全功率的模擬問題。需要深入研究，建立適合的理論設計和試驗方法來解決這些新問題，這對船舶行業的理論設計及試驗水平提出了更高的要求。

在理論設計方面，雖然近年來依托計算機技術的進步，數值計算技術得到大力發展，理論設計水平獲得較大提升，但短期內尚無法突破實尺度數值模擬、船舶復雜系統模擬等關鍵技術。理論設計水平的局限性，在一定程度上限制了船舶行業新問題的解決，從而只能從試驗研究的角度尋求突破。在試驗研究方面，由于建設資金的限制及硬件技術的制約，目前主要的試驗研究手段仍然為小尺度模型試驗。小尺度模型試驗面對船舶行業出現的新問題，同樣存在著船舶復雜系統模擬等問題，具體體現在如下幾個方面：1）小尺度模型試驗的試驗場所一般為水筒、水槽、水池以及風洞，由于試驗場所的規模限制，試驗模型為實船縮比幾十倍后所得，由于尺度效應的影響，使得模型試驗結果與實船試驗結果存在一定的差異。傳統船舶力學的尺度效應問題，經過長時間的研究，憑借積累的大量模型試驗及實船試驗數據，已形成較為完善的預報方法，可以通過水池船模試驗數據較為準確地預報實船性能，基本解決了尺度效應問題。但對于船舶行業出現的新型技術，其尺度效應問題尚未被透徹了解和徹底解決，制約著新型船舶技術的實船應用。2）由于小尺度模型的局限性，使得專有設備系統無法在試驗模型得到模擬和驗證。3）由于試驗場所的條件限制，只能模擬較為理想的環境因素，與船舶實際航行的海洋環境差異較大。因為小尺度模型試驗存在上述局限性，不能為船舶行業所面臨的新問題提供有效的研究手段，所以為了解決上述問題，最直接和有效的方法，便是增大模型尺度、在更真實的試驗環境下開展試驗研究。

增大模型試驗尺度，以期更徹底解決尺度效應問題和判斷船機槳匹配綜合性能，船模自航試驗自20世紀50年代就已開始，但由于資金等各種條件的制約，一直未全面展開，隨著船舶行業新技術及新問題的不斷出現，大尺度船模自航試驗的作用日漸突出。最近國內外開展的自航模湖泊試驗，便是以上述思路完善試驗研究技術，相對船模水池試驗，自航模試驗研究水平得到了提升。但是，現有的自航模湖試相對實船海試，仍存在較大差距，一方面是因為，自航模尺寸集中在7～15 m，雖然相對水池船模有明顯增加，但是尺度效應依然較大；另一方面，自航模采用遙控遙測、電力推進的操控方式，與實船不一樣，導致實船海試中關心的一些參數，比如主輔機功率、舵角等數據，無法獲取。因此，有必要建造柴油機推進方式的更大尺度的試驗平臺，以解決尺度效應、船舶復雜系統模擬等問題[1]。

1 百噸級自航模試驗平臺的建設

面對近來涌現的各類船舶新技術的試驗需求和船模試驗發展瓶頸之間的矛盾，中國船舶科學研究中心（簡稱CSSRC），為提高船舶試驗水平，解決各類船舶新技術、新方法在研究過程中，遇到的尺度效應問題，決定建造覆蓋快速性、操縱性、耐波性、船體運動姿態、軸系振動、局部應變等測試內容，并具有一定擴展能力的百噸級自航模綜合試驗平臺。該百噸級自航模，以90 000噸級散貨船為母型，縮尺比為1:10，具有主輔機、槳、舵等動力和操縱系統，可大幅提高模型試驗能力、擴展測試范圍，降低尺度效應的影響。該船在設計吃水下，主要參數如表1所示。

表1 百噸級自航模參數Tab.1 Parameters of hundred tons level self-propelled ship model

百噸級自航模試驗平臺，在設計建造伊始，便充分考慮各類使用需求，留足可變更、可擴展的余地。該自航模具有可替換的變速箱，可保證航速覆蓋各類試驗的需求；針對性設計的舵，保證自航模的操縱性和安全性；發電機留有充足的裕量，滿足后續加裝各類新設備的需求；搭建高精度的軸功率、舵扭矩、對水和對地航速、加速度、氣象環境、應力應變等測試系統。利用對接船廠的便利條件，該自航模可以進行各類新技術的改裝，遠期規劃圖景如圖1所示，現已完成氣層減阻系統、風力助推轉子、舵扭矩測量系統、流場測量系統的改裝和應用，當前正開展無人船自主航行改裝。

2 基于試驗平臺的新型船舶應用技術研究

該原理樣船試驗平臺自建造完成以來，在上海淀山湖開展了一系列尺度效應沒有定論的新技術、還無法在實船上應用的新方法的湖泊試驗。作為水池試驗和實船試驗的補充，通過原理樣船湖泊試驗，減小了模型尺寸對試驗結果的影響，為尺度效應的研究提供了有力的支撐數據；驗證了新技術、新方法在實船上應用的可行性，其中一些新型船舶技術，現已成功應用至實船。

圖1 百噸級自航模試驗平臺規劃Fig.1 Planning of test platform for hundred tons level self-propelled ship model

2.1 氣層減阻試驗

為應對全球資源、氣候問題，國際海事組織IMO對船舶航運業，提出了能效設計指數（即EEDI指數）進行約束，自2011年將EEDI作為強制性要求以來，船舶行業開展了大量工作，通過船型優化、加裝節能裝置、降低船舶設計航速等，在一定程度上降低了EEDI指數。作為最高要求的EEDI三階段標準，將于2025年執行，其指標比基線降低了30%以上。從MEPC71次會議提供的EEDI數據庫來看，油船和散貨船以現有的技術水平，較難滿足EEDI三階段標準。因此，新型節能裝置的開發越來越受到重視，氣層減阻技術就是其中重要一項，該技術以氣層分隔船底和水體，可以顯著降低船舶阻力，減少燃料消耗，具有重要的經濟和環保價值。

在2015年之前，國內氣層減阻技術的研究，主要集中在理論研究和船模水池試驗階段。CSSRC在完成平板模型空泡水筒試驗和船模水池試驗之后，為了更好研究尺度效應對噴氣量的影響，以便成功完成實船氣層減阻方案設計，決定利用百噸級自航模試驗平臺開展氣層減阻湖泊試驗（見圖2）。為了確定實船適用的氣層減阻方案，在湖泊試驗階段設計了多種氣層減阻方案，將百噸級自航模底部改造成可變深度的氣穴，設置各種噴氣形式，增加多種氣層穩定裝置。試驗期間，測試內容除了航速、軸功率、航行姿態、環境參數等常規測試項以外，還組建了包含流量計、壓力表、電動閥等儀器在內的氣層減阻控制、調節及測量系統。

試驗通過調整氣穴深度，對比測試了百噸級自航模不同氣穴深度和平底原型之間的主輔機功率消耗之差，換算成不同氣穴深度相對平底原型的節能率，得出最優氣穴深度。在最優氣穴深度下，考察各種噴氣形式的優劣，分析噴氣量、噴氣壓力、船舶姿態、吃水和航速對節能率的影響。最終原理樣船氣層減阻湖泊試驗，在適用航速范圍內典型凈節能效果18%，在設計吃水、設計航速下凈節能效果在11%以上。

圖2 百噸級自航模氣層減阻湖泊試驗Fig.2 The air-layer drag reduction experiment with hundred tons self-propelled ship model

為了利用百噸級自航模湖泊試驗數據，指導萬噸級實船的氣層減阻方案設計，必須考察尺度效應對試驗結果的影響，建立氣層減阻技術的相應相似律。在傳統船舶阻力相似律中，摩擦阻力相似考察Re數，剩余阻力相似考察Fr數。對應用氣層減阻系統的船舶而言，其船舶阻力不能夠僅依據傳統船舶阻力的相似關系，噴氣量Q是一個影響船舶阻力的關鍵參數，而關于噴氣量Q的相似律研究開展的較少。CSSRC利用船模水池試驗和百噸級自航模湖泊試驗的數據，分析了Q在不同尺度間的換算關系，提出了基于Re，Fr，Q的氣層減阻技術相似律[1]。2016年CSSRC利用已建立的相似律，對上海長江輪船有限公司的1艘萬噸級敞口集裝箱船“長航洋山2號”進行了氣層減阻方案設計及實船改裝，經實船實海驗證，獲得了7%以上的凈節能效果。

2.2 風力助推轉子試驗

人類對風能的利用由來已久，在蒸汽機、內燃機出現以前，風帆曾是船舶推進的主要方式。隨著全球資源、環境問題的出現，船舶航運業利用風能進行輔助推進，再次獲得關注。船用風力助推轉子技術，利用馬格納斯效應，依據風速和風向的變化，調整轉子轉速和旋轉方向，使得轉子一側氣流速度增大，而另外一側速度減小，從而產生壓力差，形成向前的推力，達到節能的目的。船用風力助推轉子作為IMO指定的B類節能技術的代表，具有節能效果好、適用船型廣的特點，成為相關行業的研究熱點。國外已有數艘實船應用案例，國內尚處于理論研究階段。

CSSRC在百噸級自航模試驗平臺上開展風力助推轉子試驗（見圖3），測試內容包括航速、航向、主機功率、轉子電機功率、風速、風向等。通過調整航向，考察不同風速、風向角度下，主機和轉子電機功率的變化，即可得到轉子的節能效果。試驗結果表明，在橫風和尾斜風角度下，均可取得較好的節能效果，典型節能率達到6%～10%。目前，正在設計建造實尺度轉子，通過改進機械結構、優化測試方案，期望得到更好的節能效果和更詳盡的測試數據，成功將風力助推轉子應用于實船。

圖3 百噸級自航模風力助推轉子湖泊試驗Fig.3 The wind booster rotor experiment with hundred tons self-propelled ship model

2.3 最小推進功率試驗

為滿足EEDI指數相關要求，除采用上述新型節能技術之外，船東面對國際航運業的衰弱，往往傾向于低航速運輸，既滿足了EEDI要求，又能保障貨運的需求。但是，當遇到惡劣天氣時，如果船舶航速過低，則無法保持航向穩定性，甚至無法逃離危險區域。因此，為保障船舶航行安全，IMO制定了船舶最小推進功率相關規定，對船舶行業進行引導和規范。

通過數次國際海事組織海上環境保護委員會的會議討論，最小推進功率的概念和評估方法逐步明確[3–4]，其評價方法主要分為兩種：

1）根據現有船舶數據，制定了各類不同船型的最小推進功率關于排水量的曲線，若船舶的額定功率在該曲線之上，則符合最小推進功率要求；

2）求解船舶在惡劣海況下，為保持航向所必須的最小航速，以及在此航速下螺旋槳收到的功率和扭矩。若船舶安裝主機能提供此扭矩，則該船符合最小推進功率要求。

最小推進功率，第1種評估方法，一經確認功率曲線的系數后，應用簡單方便。第2種評估方法，需要重點考察船舶在惡劣海況中運行時所受的空氣、波浪和附體阻力，而這些數據的獲取，現階段主要依靠經驗公式或者CFD計算。因為一方面，造波水池現階段還無法完全模擬惡劣海況，另一方面，實船在惡劣海況下低速航行時，安全性無法得到保障，不敢開展相關實船海試。從而導致最小推進功率評估研究中，模型和實船試驗數據均較為缺乏，無法對經驗公式和CFD計算進行校驗。

為彌補最小推進功率研究在試驗方面的不足，CSSRC利用百噸級自航模試驗平臺，開展大風浪下最小推進功率湖泊試驗。根據試驗目的、船舶性能和試驗場地環境的具體情況，試驗工況安排為無風浪、0.2 m浪、0.5 m浪下的快速性、Z形、回轉、航向穩定性試驗，測試內容包括航速、航向、功率、舵扭矩、縱搖角、橫搖角等（見圖4）。通過CSSRC開展的最小推進功率湖泊試驗，初步驗證了最小推進功率的評估方法，對推動船舶最小推進功率的研究有重要意義。

2.4 新型智能船舶自主航行試驗

無人船是指以有動力的船舶為基礎，通過搭載通訊設備和控制設備，從而能夠完成自主航行、自動避障的高技術、智能化船舶。其研制，涉及船舶設計、環境感知、無線通信、信息處理和運動控制等多個專業。無人船除了應用于軍事領域外，還越來越多應用在水體環境監測、水上搜救、聲學通信中繼等民用領域。目前，國內外研制的無人船，從安全性和應用需求的角度考慮，普遍采用硬殼充氣艇的形式，而對運輸船的研究應用則較少。CSSRC為將無人船的研究領域擴展至運輸船，決定在百噸級自航模試驗平臺上開展無人船自主航行試驗。

百噸級自航模將被改造成為基于視頻、雷達、紅外信號的自主航行無人船，并保留手動操控方式。該試驗按控制形式可分為4個階段，1）基于手持遙控器的試驗；2）基于岸基遙控試驗；3）基于視頻信號的自主航行試驗；4）基于雷達、紅外信號的自主航行試驗。通過湖泊試驗，測試各類控制手段的避障能力和適用性，尋找適合于運輸船的自主航行手段。目前，試驗正處于百噸級自航模的機械控制系統電氣化改造，以及基于手持遙控器的遙控改裝階段。

圖4 原理樣船在大風浪下的航行穩定性和回轉試驗Fig.4 Sailing stability and rotation experiment of self-propelled ship model under large wave

3 基于試驗平臺的新型實船測試技術研究

船舶產業的發展，離不開測試技術的進步，實船測試技術集成了水動力、結構安全、振動噪聲等多方面的內容，是船舶設計、建造和驗收等多個方面發展的關鍵。然而，當今船舶行業急需的測量技術，如流場測量、邊界層測量、螺旋槳觀測、輻射噪聲測量、推力測量等，往往不具備直接在實船上應用的基礎。CSSRC利用百噸級自航模試驗平臺開展新型實船測試技術的研究，是將這些技術應用于實船的重要準備工作。

3.1 船舶流場測量技術研究

船舶周圍的流場狀態，關系到船舶各項水動力性能，對船型優化和高效螺旋槳設計，有著直接的影響。現階段船舶流場的研究，主要依靠船模水池試驗時的畢托耙、PIV、LDV測量，以及模型尺度的數值計算。船模和實船之間雷諾數的差別達到2～3個數量級，由于尺度效應的影響，當利用船模測量或計算的流場數據預報實船流場時，其差異較為明顯[5]。為解決上述弊端，相關從業者正著力提高數值計算水平，開展船舶實尺度數值計算的研究。然而，由于實船流場測量技術水平進步緩慢，導致船舶實尺度數值計算的結果無法得到驗證，實船預報的能力仍無法滿足要求。可見，發展實船流場測量技術，是提高船舶設計水平的關鍵。

實船流場測量手段與船模流場測量一致，包括畢托管、PIV、LDV等，但是對測試儀器加工和安裝的水平、數據采集和分析的能力，提出了更高的要求。實船流場測量，可分為伴流場、尾流場和邊界層測量等多個方面，不同的測量對象，對測量能力的要求也不盡相同。5孔畢托管作為接觸式測量儀器，通過分析測孔間的壓差，可計算得到測量點的三維流速，具有測量精度高，安裝方便的優點，可應用于伴流場和尾流場等流場測量。CSSRC決定在百噸級自航模試驗平臺上，開展5孔畢托管流場測量試驗，突破流場測量僅限于船模試驗的限制，形成能推廣至實船的流場測量技術方案。

本試驗將5孔畢托管以在船壁上開孔的方式進行安裝，測試點位置的選取，根據數值計算得到的流場分布和百噸級自航模現場實際情況而定（見圖5），最終形成了由32個測點組成的測試網。通過分析測試網所得三維流速數據，可得各個剖面的流場分布，以及不同剖面間的流線發展情況。將測量數據與數值計算數據對比驗證，可指導船舶實尺度數值計算的發展。

基于百噸級自航模開展的5孔畢托管流場測量試驗，必須解決的難題有：1）5孔畢托管含有5根毫米級的管道，容易被雜質堵塞，因此試驗必須在清澈的水域開展。CSSRC擬針對各個可能開展試驗的水域，取水樣送檢分析，選擇水質最好的水域進行試驗，并盡量避免船舶行駛過程中對水體的攪動。2）5孔畢托管在各個測點處，直接采集到的是5組壓力數據，在分析流場特性的過程中，需要進行大量數據處理。這就對測量原始數據的可靠性、數據分析方法的科學性提出了很高的要求。CSSRC利用自身作為水動力試驗基地的條件，在空泡水筒內對5孔畢托管進行了詳盡的標檢，確保原始數據的可靠性，并應用掌握的水動力學知識，透過測量數據的表象，分析船舶流場的本質，確保數據分析方法的科學性。

目前，百噸級自航模5孔畢托管流場測量試驗，已經完成了船舶開孔、畢托管標定與安裝、測量系統搭建等工作。現階段，正在取樣分析對應水域水質，待試驗場地挑選完成即可開展試驗。

圖5 五孔畢托管安裝位置選擇Fig.5 Installation location selections of five-hole pitot-tube

4 結 語

面對船舶行業日新月異的科技發展，常規船模試驗和實船試驗往往無法滿足新技術、新方法的試驗需求。CSSRC自主設計建造的百噸級自航模試驗平臺，搭建完整的測試系統，留有各類設備的擴展接口，作為從船模到實船之間的中間環節，減小了模型尺寸對試驗結果的影響，為尺度效應的研究提供了有力的支撐，為船舶復雜系統模擬提供了試驗平臺，已在船舶行業新技術及新問題的試驗研究中成功應用，提高了自航模試驗的綜合測試及研究能力。