船舶阻力图谱计算与模型试验结果比较分析

刘桂杰，郭春雨,李茂华，黄超

1 哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

2 中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431

0 引 言

准确预报船舶阻力是船舶设计工作中的重要任务之一。在船舶设计的初级阶段，由于船舶型线尚未确定，因而不能用船模试验或流体动力学（CFD）方法来确定船舶的阻力，只能采用近似方法估算，以选择合理的主机，保证船舶能够达到设计航速；或者在主机确定的情况下，预估阻力以确定航速［1］。这就需要将船舶的主尺度与主要船型参数相结合，考虑多参数变化的影响，预报多种情况下的船舶阻力，然后再对各种方案进行反复论证，最终得到满足使用要求且阻力最小的船型。在这一过程中，快速、准确地预报各种不同参数下的船舶阻力是一项极其重要，同时又很困难的工作，一直抑制着船舶设计周期的缩短［2］。

当采用某一种方法估算船舶阻力时，首先需明确该方法所适用的船舶类型以及船型参数的适用范围，因为船舶阻力计算结果的精度在很大程度上取决于所计算船型与该方法所给出的母船型的相似性［3-5］。本文将针对不同吨位、不同航速的肥大型船舶，采用阻力计算图谱中的艾亚法和兰坡凯勒法计算船舶阻力，并将计算结果与试验值进行比较，以为船舶阻力计算选取合适的估算方法提供依据。

1 船舶阻力近似计算方法

不做船模试验就能得到最接近的、近似的阻力值是方案设计或初步设计所追求的目标。基于此，为了提高近似计算的准确性，要对近似计算方法的原始资料情况有所了解，以便有针对性地选择近似计算方法。船舶阻力的近似计算方法很多，但所有的这些方法都是根据船模系列试验结果，或是在总结大量船模试验或实船试验的基础上而得来，大致可以分为船模系列资料近似计算法、经验公式近似计算法和母船型数据近似计算法 3 种［1-2］。

随着船舶阻力和推进科学的发展以及船型的不断优化，特别是近年来大方形系数球鼻艏船型的出现［4］，超出了过去常用方法（如图谱法）和各种近似计算法的适用范围［5-6］，迫使船舶设计者需对船舶快速性近似计算方法做出较大的改进。一方面，是对图谱进行扩展改进，以适于现有船舶［7］，另一方面，就是结合现有船型的船模试验资料，对已有的图谱资料进行修正［8-9］。

本文将结合非系列化船模试验图谱和船模试验数据统计的方法，分别采用艾亚法和兰坡凯勒法计算3大主力船型的实船阻力，通过将计算的阻力值与试验值进行对比，提出适用于不同吨位肥大型船舶的阻力计算方法，从而为进一步提出新型船舶的快速预报方法及修正提供参考。

2 船模水池试验与计算结果分析

本次试验在某大学的船模试验水池进行。该水池长108 m，宽7 m，深3.5 m，拖车速度最大为6.5 m/s。阻力试验的模型安装与试验布置如图1和图2所示，船模采用木质，缩尺比为λ=40。

根据项目合作单位提供的48000 t油船、115000 t油船，以及 35000 t散货船、75000 t散货船和82000 t散货船等典型的肥大型船舶的相关资料，包括船型总体参数（垂线间长、型宽、型深、设计吃水、排水量、方形系数、棱形系数、湿表面积和浮心纵向位置等）和船模静水阻力试验（不同航速对应的阻力值），运用上述方法对船舶阻力进行计算，然后将修正前、后的计算结果与船模试验值进行比较。具体的船型参数如表1所示。

图1 船模试验模型的安装与试验Fig.1 Model installation and test

图2 船模试验模型（船艏部）Fig.2 Towing model（bow）

表1 船舶主要船型参数Tab.1 Main design parameters of full ships

由于本文的研究主要是针对肥大型船舶的阻力计算方法，而现有船型的参数范围已经超出了很多传统的阻力快速预报方法，如系列60、泰勒图谱和Holtrop法［10］，因此，本文将分别采用艾亚法和兰坡凯勒法来计算肥大型船舶的阻力值，并将计算得到的阻力值与模型试验值进行对比，计算出误差。表2～表6所示分别为35000 t散货船、48000 t油船、75000 t散货船、82000 t散货船和115000 t油船对应航速下的阻力计算值与模型试验值的对比结果，表中的计算结果均为实船的阻力值。

表2 35000 t散货船阻力值与试验值对比Tab.2 Comparison of resistance and experimental values for 35000 t bulk carrier

表3 48000 t油船阻力值与试验值对比Tab.3 Comparison of resistance and experimental values for 48000 t oil tanker

表4 75000 t散货船阻力值与试验值对比Tab.4 Comparison of resistance and experimental values for 75000 t bulk carrier

表5 82000 t散货船阻力值与试验值对比Tab.5 Comparison of resistance and experimental values for 82000 t bulk carrier

表6 115000 t油船阻力值与试验值对比Tab.6 Comparison of resistance and experimental values for 115000 t oil tanker

3 模型试验与图谱计算分析比较

模型试验结果与理论计算结果的比较如图3～图7所示。

图3 35000 t散货船的阻力计算值与试验值比较Fig.3 Comparison of resistance and experimental values for 35000 t bulk carrier

图4 48000 t油船的阻力计算值与试验值比较Fig.4 Comparison of resistance and experimental values for 48000 t oil tanker

图5 75000 t散货船的阻力计算值与试验值比较Fig.5 Comparison of resistance and experimental values for 75000 t bulk carrier

图6 82000 t散货船的阻力计算值与试验值比较Fig.6 Comparison of resistance experimental values for 82000 t bulk carrier

图7 115000 t油船的阻力计算值与试验值比较Fig.7 Comparison of resistance and experimental values for 115000 t oil tanker

通过分析模型试验值和图谱阻力计算值，可以得出以下结论：

1）通过对比5艘新型船舶的阻力理论计算值与模型试验值可以看出，采用两种理论方法计算出的阻力值均大于试验值，误差约10%～40%，但其变化的趋势基本一致。可以结合试验值来对阻力理论计算方法进行修正，提高计算精度，从而找出一种适合肥大型船舶的阻力计算方法。

2）由图谱计算来看，随着航速的增大，阻力值的误差会随之增大，且航速对阻力值的影响也较大。因此，对于大吨位的中、高速船舶，阻力计算可选用兰坡凯勒法；较小吨位的中、低速船舶则选用艾亚法较为适合。

3）从以上几条实船的计算结果可以看出，在目前肥大型船舶的发展趋势趋于大型化的前提条件下，虽然兰坡凯勒法在阻力预报方面较艾亚法精度更高，更具适用性，但其预报精度也亟待提高。在兰坡凯勒法建立的年代，部分肥大型船舶已有向大型化发展的趋势，而兰坡凯勒法也很好地考虑到了这一点。但与目前的肥大型船舶相比，当时船舶的航速还较低，因而航速对阻力的影响没有得到足够的重视。从以上计算实例中可以看出，随着航速的增加，兰坡凯勒法的计算误差逐渐增大，这说明兰坡凯勒法已经不能很好地反映航速增加情况下流场的变化。

4）一般而言，在可利用的船型资料或数据缺少的情况下，艾亚法和兰坡凯勒法的估算结果较为稳定可靠，可以快速得到船舶阻力值，不失为较好的船舶阻力估算方法，但针对不同的船型，需要选取合适的计算方法。

4 结 语

本文在研究现有的主要计算船舶阻力快速预报方法的基础上，结合对模型试验资料的挖掘和对比分析，提出较大吨位的中、高速船舶适合采用兰坡凯勒法，而较小吨位的中、低速船舶则采用艾亚法。本文所提出的结论对于3大主力船型中的肥大型船舶，其阻力计算结果与模型试验结果吻合较好，因而具有一定的实用价值。但随着船舶科学的不断发展，前人留下的计算资料将很难满足不断出现的新型船舶，因此对现有方法进行修正已成为必要。随着模型试验数据的不断完善，以及理论计算精度的逐渐提高，理论方法将会得到越来越广泛的应用。

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