實船快速性能預(yù)估方法及試驗驗證

彭言峰

（南通遠洋船舶配套有限公司，江蘇南通 226013）

0 引言

快速性是船舶重要的性能之一，與船舶的經(jīng)濟性和使用性密切相關(guān)。船舶快速性是在給定主機功率時，表征船舶航速高低的一種性能。在新船的設(shè)計階段往往需要能夠?qū)Υ翱焖傩阅苓M行迅速而準確的預(yù)估。船舶大型化和高速化的發(fā)展對船舶快速性能的要求也越來越高。

目前，研究船舶快速性能的方法主要有計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）法和船模試驗法。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，CFD已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在實尺度的模擬計算方面，CFD技術(shù)也具有一定的精度。

在研究船舶快速性的問題上，船模試驗一直是最主要的方法，在船舶設(shè)計中所采用的系列船型資料、回歸公式和圖譜等，絕大多數(shù)都是通過船模試驗得來的。船模試驗是根據(jù)相似理論按一定縮尺比制作槳模和船模，并在試驗水池中進行試驗。預(yù)報實船的性能通常需要進行船模阻力試驗、自航試驗和螺旋槳敞水試驗，其牽涉面廣、影響因素多，如附加阻力、伴流的尺度效應(yīng)、船型、螺旋槳敞水效率以及各船模試驗水池積累的經(jīng)驗統(tǒng)計資料等。船模試驗是研究船舶快速性最普遍、最有效的方法。

1 船模試驗方法

船模試驗法主要分為船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗和船模自航試驗。

1.1 船模阻力試驗

船體周圍的流動情況相當復(fù)雜，船舶在靜水中運動時所受到的阻力主要有2種：1）由興波引起的壓力分布的改變所產(chǎn)生的興波阻力；2）由于水為黏性流體，在船體周圍形成邊界層，在船體表面產(chǎn)生的摩擦阻力；3）由于水的黏性引起船體前后壓力不平衡而產(chǎn)生的黏壓阻力。

船模阻力試驗主要研究船模在水中等速直線航行時所受的作用力，得到船模阻力與航速的變化關(guān)系，進一步分析確定各阻力成分，從而得到實船阻力數(shù)值，并進而得到實船有效功率。船模阻力試驗要在船模自航試驗前進行，為分析自航試驗結(jié)果、預(yù)報實船性能提供必要的數(shù)據(jù)。

1.2 螺旋槳敞水試驗

螺旋槳是船舶重要的推進裝置，螺旋槳敞水試驗主要用于研究和分析螺旋槳的水動力性能，通過測量螺旋槳的推力

T

和扭矩

Q

，可以得到螺旋槳在不同進速下的推力系數(shù)

k

、轉(zhuǎn)矩系數(shù)

k

和敞水效率

η

，并將結(jié)果繪制成螺旋槳敞水性征曲線。

螺旋槳敞水試驗也需要在船模自航試驗前進行，為分析預(yù)報實船各種推進效率提供螺旋槳性能數(shù)據(jù)。

1.2 船模自航試驗

船模自航試驗主要分析研究船模自航因子和各種推進效率成分。對于給定的船舶，根據(jù)船模的阻力性能、螺旋槳的敞水性征曲線及自航試驗結(jié)果即可進行實船性能預(yù)估，得出主機功率、轉(zhuǎn)速和船速三者之間的關(guān)系，進而給出實船在一定功率下的預(yù)估航速。

船模自航試驗是在船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗之后進行的。

2 船舶主要要素及船模試驗

2.1 船舶主要參數(shù)

以某主流船型為研究對象，該船主要要素如下：垂線間長

L

為294.4 m；水線間長

L

為284.63 m；型寬

B

為50 m；壓載工況下的艏吃水

T

為6.3 m，艉吃水

T

為9.85 m；排水體積

▽

為93 302.4 m；舭龍骨面積

S

為141.3 m；螺旋槳直徑

D

為9.6 m；槳葉數(shù)

Z

為4；盤面比

A

/

A

為0.4；螺距比

P

/

D

為0.765 6；主機功率

P

為12 710 kW；轉(zhuǎn)速

N

為62.3 r/min；軸系效率

η

為0.99。

2.2 船模試驗數(shù)據(jù)

按照實船與船模縮尺比41∶1制作船模并進行試驗，先后進行船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗、和船模自航試驗。

船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗和船模自航試驗的結(jié)果分別見表1～表3。

表1 船模阻力試驗

表2 螺旋槳敞水試驗

表3 船模自航試驗

3 1978 ITTC單槳船實船性能預(yù)估標準換算方法

基于船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗和船模自航試驗的結(jié)果，目前有很多方法可預(yù)估實船性能，例如Δ

C

法、Δ

w

法和(1+

x

)

K

法等。1978年十五屆國際船模拖曳水池會議提出確定了《1978ITTC單槳船實船性能的預(yù)估方法》，本文將按照此方法進行該船的實船性能預(yù)估。

3.1 實船阻力換算

首先進行實船阻力換算。船體形狀是相當復(fù)雜的三因次物體，船體阻力采用三因次方法進行換算。船模阻力三因次法將阻力分為黏性阻力和興波阻力兩部分，興波阻力與傅汝德數(shù)有關(guān)，黏性阻力與雷諾數(shù)和船體形狀密切相關(guān)。粘壓阻力系數(shù)

C

與摩擦阻力系數(shù)

C

之比是一常數(shù)

k

。在船模阻力試驗尺度效應(yīng)換算的三因次分析方法中，計算的重點是如何確定船舶的形狀因子。

在實船中，該船船體采用安裝舭龍骨來減少船舶的橫搖，但船模試驗是在不安裝舭龍骨下進行的。

實船的總阻力系數(shù)

C

計算公式為

式中：

C

為船模總阻力系數(shù)，計算公式見式（2）；

C

為船模摩擦阻力系數(shù)，計算公式見式（3）；

C

為實船摩擦阻力系數(shù)，計算公式見式（4）；Δ

C

為粗糙度補貼系數(shù)，計算公式見式（5）；

C

為空氣阻力系數(shù)，計算公式見式（6）；（1

+k

）為形狀因子，可由最小二乘法確定，計算公式見式（7）；

S

為實船的濕表面積；

S

為舭龍骨面積。

式中：

R

為船模阻力；

ρ

為水的密度；

S

為船模濕表面積；

V

為船模速度。

式中：

Re

為船模雷諾數(shù)。

式中：

Re

為實船雷諾數(shù)。

式中：

k

為船體表面粗糙度，

k

=150×10m；

L

為水線長度。

式中：

A

為水線面以上船體部分在中橫剖面上的投影面積；

S

為水線面以下船體濕表面積。

式中：

y

為常數(shù)；

Fr

為傅汝德數(shù)。船模的興波阻力系數(shù)

C

計算公式為

實船的興波阻力系數(shù)

C

按照傅汝德假定和船模興波阻力系數(shù)

C

相等，即

C

=

C

。實船的總阻力

R

計算公式為

式中：

ρ

為海水密度；

S

為實船濕表面積；

V

為實船速度。實船有效功率

P

計算公式為

換算求得的實船總阻力

R

和有效功率

P

見表4。

表4 實船總阻力和有效功率

3.2 實槳敞水性征曲線

對于螺旋槳敞水試驗，槳模和實槳在進速系數(shù)相等條件下進行，而雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)。不同雷諾數(shù)對螺旋槳性能的影響稱為尺度作用。在實際應(yīng)用中，尺度作用僅適用于超臨界區(qū)的情況。螺旋槳的尺度作用對扭矩影響較大，對推力影響較小。

實槳敞水效率

η

計算公式為

式中：

V

為進速；

K

為實槳推力系數(shù)；

K

為實槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)。根據(jù)槳模敞水試驗結(jié)果進行尺度修正后求得實槳的性能。根據(jù)ITTC推薦的修正方法，在同一進速系數(shù)

J

下，實槳推力系數(shù)和槳模推力系數(shù)之間關(guān)系見式（12），實槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)和槳模轉(zhuǎn)矩系數(shù)之間關(guān)系見式（13）。

式（12）和式（13）中：

K

為槳模推力系數(shù)；

K

為槳模轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Δ

K

為尺度作用對推力系數(shù)的影響，表達式見式（14）；Δ

K

為尺度作用對轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響，表達式見式（15）。

式中：

Z

為螺旋槳葉數(shù)；

D

為螺旋槳直徑；

P

為距槳心0.75

R

處的螺距；

b

為距槳心0.75

R

處切面弦長；

t

為距槳心0.75

R

處切面厚度；

R

為距槳心0.75

R

處的雷諾數(shù)；

K

為實槳的表面粗糙度，一般取30×10m。

在螺旋槳模型的敞水試驗中，將模型試驗的敞水性征曲線修正至實槳的敞水性征曲線（見圖1）。

圖1 實槳敞水性征曲線

3.3 實船推進因子

船模自航試驗采用強制自航法，根據(jù)船模自航試驗得到的螺旋槳轉(zhuǎn)速

N

、推力

T

和轉(zhuǎn)矩

Q

數(shù)據(jù)，分析得到自航因子、各種推進效率成分及實船性能。不考慮尺度作用的情況下，實船的推力減額分數(shù)

t

計算公式為

式中：

t

為船模的推力減額分數(shù)；

T

為船模的推力；

R

為船模的阻力。實船的伴流分數(shù)

w

計算公式為

船模的伴流分數(shù)

w

計算公式為

式中：

J

為槳模進速系數(shù)；

N

為槳模轉(zhuǎn)速；

D

為槳模直徑。

3.4 實船推進效率

實船的船身效率

η

計算公式為

不考慮尺度作用的情況下，實船的相對旋轉(zhuǎn)效率

η

計算公式為

式中：

η

為船模的相對旋轉(zhuǎn)效率；

K

為敞水轉(zhuǎn)矩系數(shù)，根據(jù)推力系數(shù)

K

用等推力法查螺旋槳敞水性征曲線得到；

K

為船后螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)，根據(jù)式（21）進行計算。

實槳的敞水效率

η

，可根據(jù)繪制實槳的

J

-(

K

/

J

) 曲線得到；實船的推進效率

η

和推進功率

P

計算公式分別為

式中：

P

為有效功率。不同

V

情況下實船推進因子、推進效率及航速預(yù)估情況見表6。

表6 實船推進因子、推進效率及航速預(yù)估

3.5 實船航速預(yù)估

由表6中的航速

V

和對應(yīng)的功率

P

可繪制航速-功率曲線（見圖2）。該船主機功率

P

為12 710 kW，軸系功率

η

為0.99，螺旋槳收到功率

P

為12 583 kW，在該功率下對應(yīng)的實船航速為15.91 kn。

圖2 實船航速預(yù)估

4 實船試航試驗

實船快速性能最終能否達到設(shè)計要求，必須經(jīng)過實船試航試驗證。本船在建造完成后，進行實船試航試驗驗證。為保證實船試航試驗結(jié)果的準確性，需要選擇合適的試驗條件、合理的試驗方法及數(shù)據(jù)分析方法，得到實船在標準工況下的航速。實船試航試驗結(jié)果如表7所示，并與按1978ITTC法預(yù)估的結(jié)果做了比較。

表7 實船試航驗證

5 結(jié)論

本文對該船進行了船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗、船模自航試驗，并采用1978年ITTC單槳船實船性能預(yù)估方法進行了該船的實船性能預(yù)估，并通過實船試航試驗來進行最終驗證。通過結(jié)果對比，1978年ITTC法預(yù)估的結(jié)果與實船試航試驗結(jié)果相當接近，符合實際。