ISO与BSRA航速修正方法计算实例分析

陈胜兰

（沪东中华造船有限公司上海200129）

ISO与BSRA航速修正方法计算实例分析

陈胜兰

（沪东中华造船有限公司上海200129）

ISO航速修正方法；BSRA航速修正方法；计算实例修正结果对比分析

介绍了ISO与BSRA航速修正方法，并通过采用ISO和BSRA航速修正方法分别对计算实例进行航速修正，得出ISO修正方法可以获得更高的航速指标，并对ISO航速修正方法的合理性和适用性提出建议。

0 引言

船舶的航速是一个很重要的性能指标，关系到能否满足规格书的要求和顺利交船。实船航速测试无法在船模试验的理想环境条件下进行，需要采用适当的航速修正方法，把试航数据修正到理想状态下以检验是否满足合同的要求。一直以来，国外的一些组织和专家一直致力于实船航速修正方法的研究，并在这一领域取得了重大的进展。90年代日本向ISO（国际标准化组织）提交了一份标准建议书，这份建议书被ISO采纳，ISO组织在分析现有的修正方法后，以这份推荐的标准为基础制定了一套实船航速修正方法ISO/FDIS 15016［1］。第23界国际水池会议（ITTC）［2］专门成立了实船测试专家委员会，对现有的一些修正方法进行系统的分析比较，会议的结论是没有权威性的修正方法，并认为ISO/FDIS 15016修正方法是最全面的。本文简单介绍了ISO和BSRA［3］（英国船舶研究协会）航速修正方法，通过采用ISO和BSRA方法分别对计算实例进行修正，对两种修正方法的修正结果进行分析比较。

1 ISO航速修正方法介绍

要记录船舶的对地速度、轴功率、螺旋桨转速、相对风速风向，以及水深、波高、波的平均周期和入射波角度，并记录水温和海水密度，空气温度，同时观察并记录舵角和漂移的角度，准备好螺旋桨敞水曲线图（KQ、KT-J），并绘制载荷系数－进速系数图（τ-J）。

根据测得的数据进行分析，首先计算出此航速下总阻力。总阻力的计算公式为：

式中：ρ为海水密度；D为螺旋桨直径；1-t为推力减额系数。这些可以由数据资料或船模试验得到。此外，由记录的轴功率数据可得到螺旋桨收到功率PD=PsηT，ηT为轴系效率；然后可得出扭矩系数KQ=500PDηR/π/ρ/D5/n3；再根据KQ，可由准备的螺旋桨敞水曲线图（KQ、KT-J）和载荷系数－进速系数（τ-J），查得螺旋桨的进速系数J和载荷系数τ，见图1。

图1 螺旋桨性能曲线图

于是，可以得到平均对水速度Vs=nDJ/（1-w）m。式中：（1-w）m为来回两趟的平均伴流分数。每趟的伴流分数计算公式为：1-w=nDJ/VG，VG为测得的船舶对地速度。

1.1 对阻力增加的修正

由于外界环境如风，波浪、操舵、漂移、水温、盐度和排水量等的影响，使船舶的阻力有所增加，因此需要对船舶的阻力进行修正。

1.1.1 风作用引起的阻力增加RAA

其计算公式为：

式中：ρA为空气密度，kg/m3；

AXV为横剖面水上部分面积，m2；

VWR为相对风速，m/s；

CAA0为顶风条件下的风阻系数；

K（ψWR）为根据相对风向角ψWR所得到的风阻方向系数，可以通过船模的风洞试验得到。

1.1.2 波浪引起的阻力增加RAW

其计算公式为：

式中：χ为波浪入射角，rad；

α为单元入射波的方向，rad；

f为单元入射波的频率，Hz；

G为入射波的方向分布函数；

S（f）为入射波的频率分布函数；

Δr/ζA2=Δr1/ζA2+Δr2/ζA2为规则波中阻力增加响应函数，Δr1/ζA2表示规则波中辐射波作用下的波阻增加响应函数，Δr2/ζA2表示规则波中衍射波作用下的波阻增加响应函数。

1.1.3 操舵引起的阻力增加Rδδ

此时需要考虑舵面积、操舵引起的推力减额分数、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

其计算公式为：

式中：β指漂角，可以根据理论方法或其他方法来确定，rad；d为水深，m。

1.1.5 水温和盐度影响引起的阻力增加RAS

需要考虑合同指定的水温和盐度状态下和试验水温和盐度状态下的水密度和摩擦阻力系数。

1.1.6 排水量偏差较大时引起的阻力增加RADIS

试验状态的排水量应在规定范围内，排水量偏差不应超过指定排水量的2%，纵倾偏差不应超过1%的船中吃水。因此,总阻力增加为：ΔR=RAA+RAW+Rδδ+Rββ+RAS+RADIS。阻力的增加对载荷系数的影响为：修正后的载荷系数为：τ1=τ-Δτ。根据τ1的值,利用螺旋桨性能图（图1），可以得到螺旋桨的进速系数J1和扭矩系数KQ1。螺旋桨转速n1可由公式n1=n×J/J1得到，在图2中以n1和KQ1绘制扭矩系数—螺旋桨转速曲线KQ1-n1（●）。利用该曲线可以得出转速为n的扭矩系数KQ′（n），根据KQ′的值再结合图1，可得到螺旋桨进速系数J′和载荷系数τ′。

图2 扭矩系数—螺旋桨转速曲线

由于阻力增加对船速的修正

JH和JL是根据螺旋桨敞水曲线图分别对应于KQH和KQL的进速系数。

因此船舶在真空无波浪下以转速n航行时的船舶对地速度VG′、螺旋桨收到功率PD′以及轴功率PS′分别为：

1.2 对潮流影响的修正

螺旋桨转速为n（i）时，第（i+1）次的航速表示为：

平均潮流速度为：

式中：n（i+1）和n（i）分别为螺旋桨在第（i+1）和第i个航次中的转速Hz；

VG″（i+1）和VG′（i+1）为船舶在第（i+1）个航次和第i个航次的对地速度m/s。

由VFM和时间可以得到时间历时图，在历时图中可以得到每个航次的中间时刻的潮流速度VF。因此，潮流的影响对船速的修正为：VS′=VG′+VF。

1.3 对空气影响的修正

船舶在无风状态下载荷系数的增量ΔτA计算公式为：

增加后的载荷系数τ2=τ′+ΔτA。由τ2并根据螺旋桨性能曲线图（图1），可以得到相应的螺旋桨进速系数J2和扭矩系数KQ2。螺旋桨转速n2由公式n1=n×J′/J2得到。

根据计算出来的一系列n2和KQ2绘制扭矩系数－螺旋桨转速曲线KQ2-n2（◎），见图2。从而，可以得到转速为n时的扭矩系数KQ0。船舶在无风条件下的航速修正量ΔVS′计算公式为：

因此，船舶在无风无浪无潮流条件下以转速n、航行时的船速VS″、螺旋桨收到功率PD0和轴功率PS0分别为：

1.4 浅水修正

ISO采用Lackenby法进行浅水修正［4］，公式为：

式中：ΔVS为浅水损失的航速；

VS为船速；

AM为水下横剖面面积；

h为水深；

g为重量加速度。

2 BSRA航速修正方法介绍

BSRA（The British Ship Research Association）修正方法即英国船舶研究协会修正法目前正被广泛采用，这是一种相对简单实用的修正方法［5］，主要考虑风的影响、流的影响和浅水效应影响，但未考虑对浪的修正。根据试航的实际情况，海况常常比较恶劣，因此，结合第24届ITTC所荐对浪的修正方法，这样综合得出的修正结果更加全面。

BSRA修正方法根据测得的相对风向角，通过常见船型风阻系数与相对风向角曲线查得风阻系数，船模与实船之间的边界层速度的区别以及风速表的实际位置和自由流层高之间的区别得到修正系数，再将该修正系数乘以风阻系数。根据修正后的风阻系数和船舶水线以上横向的最大面积，由风阻计算公式得到风的阻力，再可以得到风的有效功率，最后根据推进系数得到为克服风的阻力而额外增加的功率。根据测得的螺旋桨收到功率扣除为克服风阻的额外功率，故对风的影响进行了修正。对浅水效应的影响同样采用Lackenby法修正方法。

3 计算实例修正结果对比分析

ISO修正方法以螺旋桨敞水性能曲线和螺旋桨负载条件为基础，根据螺旋桨载荷系数建立力的平衡。在ISO 15016中有对一单桨油轮满载状态试航航速修正的计算实例，该试航水深500 m左右，故不需考虑浅水修正。对此试航数据同时采用BSRA修正方法，BSRA修正方法以有效功率曲线为基础，并假定推进效率不随螺旋桨载荷变化，BSRA未考虑对浪的修正，此处采用ITTC 24th会议推荐的公式对浪进行修正［5］。通过ISO提供的计算实例，对照采用BSRA方法进行修正，能更直观地分析对比ISO和BSRA修正方法。ISO和BSRA修正过程如表1和表2，根据ISO和BSRA修正方法的修正结果，绘制如图3功率—航速曲线图。

另对一现有大型散货轮压载状态试航航速运用ISO和BSRA方法分别进行修正，从而进一步对比分析修正结果。该轮所处海况波高为1m，采用ISO修正方法需要知道试航海域的波谱、入射波方向分布和波阻增加响应函数等，故波浪增加阻力采用ISO15016计算实例中同样波高1m的波浪阻力。由于最后的航速是取每趟顺流和逆流的平均值，故不考虑潮流的修正。ISO和BSRA修正过程如表3和表4，根据修正结果，绘制如图4功率—航速曲线图。

从以上两个计算实例的修正过程和修正结果以及功率—航速曲线图3和图4，可以看出ISO航速修正曲线和BSRA航速修正曲线趋势很接近，但ISO在指定功率下得到的修正航速更高，即更容易满足合同规定的航速要求。ISO能获得更好的性能指标，究其原因，从修正过程可以发现ISO在考虑风阻和波浪阻力时都更高于BSRA对风阻的计算和ITTC 24 th推荐公式对波浪阻力的计算，ISO对风阻的修正使用的风阻系数和风阻方向系数是从船模风洞试验中得到的，且ISO对波浪修正的计算考虑了波浪入射角、入射波频率、入射波方向等，考虑的因素比较多也更具体，这些使ISO修正补偿的航速更多。

表1 ISO 15016提供的修正实例修正过程

表2 BSRA方法航速修正结果

图3 功率—航速曲线图（Pso-Vso）

图4 功率—航速曲线图（Pd-Vs）

表3 ISO修正过程如下：

表4 BSRA修正过程如下：

续表4

4 结语

ISO航速修正方法以螺旋桨负载条件和螺旋桨敞水性能为基础，根据载荷系数建立力的平衡。该方法涉及了对风、波浪、潮流、浅水、操舵、漂移、水温的修正，考虑较全面。ISO以螺旋桨的敞水性能为基础，修正与船模试验数据密切相关。与BSRA相比，ISO修正方法可以获得更高的航速指标。但ISO考虑的修正因素里，对风阻的修正需要通过船模的风洞试验得到风阻系数和风阻方向系数；对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响应函数等；对操舵的修正需要知道一些经验系数。这些因素操作起来过于复杂，难以用于实际。因此，BSRA修正方法相对更易于实现。不过，笔者也期待国际上尽早建立更合理、全面并易于运用的修正方法。

［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

陈胜兰（1982-），女，汉族，工程师，主要从事船舶总体设计工作。