基于土屋孟公式的渔船有效马力估算

张 怡，焦 尔，郑建丽（中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092）

0 引言

随着世界燃油价格的不断攀升，世界海洋捕捞渔业燃油成本急剧上升，目前已达到捕捞总成本45%以上，海洋捕捞正面临前所未有的危机。而我国近海捕捞燃油成本更是接近70%，严重影响了渔业生产[3]。我国海洋捕捞渔业的渔船数量多，其中群众渔业的渔船占了主导地位[1]，但是群众渔业船舶的设计、制造还比较落后，船—机—桨—网匹配不尽合理，据不完全统计，不匹配率达40%以上[2]，这不仅影响了渔船的作业效率，大大制约了渔业生产的发展，而且增加了渔船的能耗，甚至给渔业生产带来安全隐患。最近几年，国家每年都要支出100多亿元燃油补贴，以维持海洋捕捞的正常生产；远洋渔业也面临同样的问题，同时还需要应对环保压力。世界各国都已认识到捕捞渔业节能减排的重要性，日本长期支持渔业节能，特别是海洋捕捞节能减排技术的系统研究，欧盟也启动了渔业节能项目 ESIF“Energy saving in Fisheries”，开发应用了多种节能技术产品和措施，取得了良好效果。但是，补贴和使用节能产品仅能解决部分问题，当务之急是应合理地优化设计渔船船型，设计出阻力更小、更节能的船型。

船舶设计已进入信息化时代，对于大型船舶而言，无论是针对初步设计、方案设计、详细设计、还是生产设计，国内外都开发了许多专业的软件。而专门针对渔船的设计软件则十分匮乏，因渔船自身的特殊性，无法使用大型船舶的设计软件来进行设计，若凭借经验在原有船型上进行调整，不仅效率低，而且造成了很大的重复劳动，使得渔船设计很少有创新。渔船设计软件的出现能使渔船设计的效率大大提高，并使设计人员的关注点转移到新的节能船型的开发上，减少大量的重复劳动，且符合低碳这一理念。其中，渔船有效马力估算软件是渔船设计软件中一个重要的模块，渔船有效马力估算软件主要用于渔船设计初期阶段，在船型基本参数确定之后，估算航速与有效马力的对应关系，从而分析该船型的主尺度是否合适。对于不合要求的船型可以在设计之初就进行改进。

1 软件编写理论依据

渔船设计时，寻求最小阻力的尺度最佳组合已成为常态；在制定设计方案的过程中，在变更方案中的某些尺度后，常需要迅速进行阻力情况的预报。此外，更重要的是渔船设计者需要掌握各船型要素对渔船阻力的影响情况以及船型要素相互间的影响，以确切地掌握渔船的阻力特征。针对这些需求，通过渔船船模阻力试验资料的统计分析得到一些估算阻力的图谱和计算公式将是有所帮助的[7]。经过半个世纪的发展，世界各国及地区都有依据各大模型水池实验数据总结出来的渔船有效马力估算经验公式。比较有名的是英国D.J.Doust、日本土屋孟公式等。

由于我国渔船船型更类似于日本的尖瘦型，故文章研究的渔船有效马力估算软件主要参考日本的土屋孟公式进行设计。

渔船有效马力的估算是总体设计的一个重要步骤，是航速预估、船型优化等步骤的前提。因此估算有效马力，首先需要确定船型基本主尺度，由于经验公式是对大量的船型数据归纳总结而来，因此有其局限性，只有航速在如图1所示的限制范围内，其他船型要素在表1所示的限制范围内，才可进行估算。土屋孟公式的总体思想是通过归纳分析得出300 t排水量船型的有效马力估算经验公式，而其他排水量的渔船则通过回归换算后视其为300 t排水量，在相同排水量下采用统一的估算公式来估算有效马力与航速。

表1 船型要素的限制范围

最终公式利用r300和Fn▽计算任意排水量下实船的有效马力EHP为：

式（1）、（2）中，L为船体设计水线长，m；▽为排水体积，m3；Δ为实船的排水量，t；Fn▽为体积傅汝德数；Amax为船体吃水线下的最大横截面积，m2；α为方龙骨的截面积，m2；B为船宽，m；T为吃水，m。[6]

2 程序及界面设计所遵循的原理

软件程序在编写过程中遵循尽量使计算机语言简洁易懂的原则，所以在每个模块的设计中都注意到以下几点[4]：

1）尽量减少全局变量的使用，而多使用局部变量，因为过多的全局变量会导致程序混乱，且不容易找到出错的地方。

2）程序中使用的用户标识符除遵循变量命名规则外，一般未使用代数符号作为变量名，如a，b，x1，Y1，而是选取具有船舶专业相关含义的英文单词（或其缩写）或汉语拼音作为变量名，以增加程序的可读性，如：Cm，Cp，ALFABS，ZuobiaoNum等。在软件设计中还采用面向对象的设计原则，主要包括单一职责原则、开闭原则、替换原则、依赖倒置原则、接口分离原则。面向对象设计是一种以数据（对象）及其接口为重心的程序设计技术，是定义程序模块如何“即插即用”的机制。图2为软件最终的操作流程图。

具体流程为：

（1）在输入的船型要素的基础上计算出x1～x13，确定某一计算初始速度，并计算出此速度下的体积傅汝德数（Fn▽）。

（2）由于此公式对于体积傅汝德数有一定的适用范围，即Fn▽=0.45～0.8，故当计算出的Fn▽＜0.45时，将速度叠加并重新计算新的傅汝德数，直至Fn▽＞0.45；当Fn▽＞0.45时，进行插值计算回归系数，代入x1～x13求得r300及rs，计算出此速度下的有效马力EHP与航速Vk（单位：节）。

（3）将速度叠加后计算下一个有效马力EHP与航速Vk，直至到Fn▽＞0.8结束程序，输出计算表。其中插值计算回归系数采用Visual Studio读取excel文件的回归系数表来进行线性插值计算；软件运行结束时输出的有效马力计算数据输出表与计算过程中同步绘出的航速-有效马力曲线相对应。

3）软件界面采用标签形式，力求简洁明了，输入与输出内容位于不同标签内，如图3所示。

图3 有效马力估算软件运行界面

3 实船算例与模型试验分析

以下为上海渔船更新改造项目中的一型拖网渔船，其主尺度及船型参数如下：

水线长L为32.74 m；型宽B为6.2 m；吃水T为2.2m；排水量△为225.6 t；舯剖面系数Cm为0.864；棱形系数Cp为0.599；浮心纵向位置LCB（%）为-2.17；满载水线半进水角为1/2αe 17°；去流角为 1/2αr 20°；αBS 16°；纵倾为 t/L 0.0258；α/Amax0.0038。经渔船有效马力估算软件计算得出的结果如表2所示。

表2 有效马力计算软件计算结果

同时，针对该船型我们还做了模型水池试验，船模与实船比例λ=1∶10，船模主尺度为：

水线长L 3.274 m，型宽B 0.62m，吃水T 0.22m，排水量△ 0.22t。

经软件计算出的曲线与船模水池试验做出的阻力曲线如图4、图5所示，可见，通过该软件计算结果与船模试验结果基本吻合。

4 结束语

渔船有效马力估算软件的设计难点在于精度控制，插值计算，算法优化等。渔船设计不同于商船设计，由于经费有限，无法做到每种船型都进行船模试验，故在总体设计时采用软件进行有效马力的估算显得十分必要。只有真正估算出实船有效马力才是真正有益于渔船设计的，这就需要通过大量的实船或船模试验数据来进行修正。相信不断地通过更多实际船型的数据对此公式进行修正，该渔船有效马力估算软件将能更适合于我国的渔船设计，为改变我国渔船陈旧落后、耗能低效的局面做出贡献。

[1]农业部渔业局.中国渔业年鉴[M].北京: 中国农业出版社, 2002.

[2]宋协法, 焦志刚.通过主机轴功率的测试判断船体、主机、螺旋桨三者的匹配状况[J].海洋湖沼通报,1997(1):19-22.

[3]李吉强, 高伟, 尹瑞业.当前海洋捕捞业的几个问题与对策探讨[J].中国水产, 2004(2):77-78.

[4]郭维, 胡雄.大型金属构件疲劳寿命估算软件设计[J].计算机辅助工程, 2006(3):35-36.

[5]土屋孟.漁船船型の有効馬力に関する統計解析[J].昭和47年10月日本造船学会秋季講演会において講演): 70-72.

[6]章可畏.新的有效马力估算法——土屋孟公式[J].渔业机械仪器, 1986(1): 22-28.

[7]贾复.渔船设计[M].北京: 农业出版社, 1990(1):98.