珠江闽江船舶航速预报算法开发及实船验证

王曦，陈庆任，张伟，喻露

(中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022)



珠江闽江船舶航速预报算法开发及实船验证

王曦，陈庆任，张伟，喻露

(中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022)

根据内河船模试验数据对船舶有效功率估算方法艾尔法进行修正，应用图谱回归公式计算螺旋桨推进功率，考虑船机桨匹配进行珠江、闽江船舶航速预报，通过实船试验对航速预报结果进行验证，结果表明，预报结果符合工程精度，具有良好的实用性，可用于珠江、闽江现有船舶标准化认定工作。

珠江闽江；航速预报；艾尔法；实船验证

2011年7月，国际海事组织(IMO)海上环境保护委员会(MEPC)第62届会议通过了《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL公约)附则VI有关能效规则的修正案，使船舶能效设计指数(EEDI)成为强制性要求，该修正案已于2013年1月1日生效实施。对内河船舶而言，交通运输部发布的《内河运输船舶标准船型指标体系》对燃料消耗、CO2排放指标提出了强制性要求[1]，并于2012年7月1日起生效。2014年12月公布的《内河运输船舶标准化管理规定》，进一步对新船准入提出了指标体系强制性要求[2]。对珠江、闽江水系船舶而言，交通运输部于2015年1月发布了《关于贯彻实施〈内河运输船舶标准化管理规定〉有关工作的通知》，要求对珠江、闽江现有船舶进行标准化认定，而其中的难点是用于能效评估的船舶航速验证，主要体现在以下两方面。

1)按照《内河船舶能效设计指数EEDI评估指南》[3]，在设计阶段需进行水池试验测得额定主机功率下的船舶航速。与海船相比，内河航运附加值低、船舶设计费用少，在设计阶段进行船模水池试验的船舶很少，使得前期验证流于形式，存在实船验证不能通过的风险。

2)在最终验证阶段，需进行实船试验。由于内河航道适应大型船舶试验的顺直深水航道不多，实船试验工况又大多为空载工况，试验环境条件和实船工况都受到很大的限制。

上述2点使得珠江、闽江现有船舶标准化认定工作难以得到有效落实。与此同时，目前珠江、闽江现有船舶数量高达几万艘，在时间、经费上都不可能采用船模试验或实船试验的方式来完成现有船标准化认定工作，故需要采用航速理论预报方法予以解决。本文采用修正的艾尔法进行船舶阻力估算，基于图谱法进行螺旋桨的设计及推进性能计算，进而实现船舶航速预报算法的开发，并进行珠江、闽江实船试验验证。

1 航速预报方法

根据内河船模试验数据和珠江、闽江实船试验航速资料，对目前珠江船舶设计普遍采用的船舶有效功率估算方法艾尔法进行修正、验证，并应用图谱回归公式计算螺旋桨推进功率，最后通过船机桨匹配进行珠江、闽江船舶航速预报。该航速预报算法流程见图1。

图1 航速预报算法开发流程

1.1 艾尔法的修正分析

艾尔法利用设计船与标模船之间的尺度差异，在标模船的功率系数的基础上进行修正，从而估算设计船的船舶有效功率[4-6]。该方法适用范围广，对中低速船舶估算精度高，但它是基于海船资料回归得出的估算方法，当其应用于内河船时需要进行一定的修正。为了使艾尔法能有效应用于珠江、闽江水系船舶阻力的估算，有必要对其进行针对性的修正分析[7]。

收集到40艘内河船舶(长江、珠江水系)的船模水池试验数据，共有242个速度样本点。这些船舶的主参数范围见表1。利用艾尔法进行阻力估算，将计算结果与船模试验数据进行比较分析，以此为基础进行修正分析。

表1 船模试验船舶参数范围

艾尔法的阻力估算首先按Fr和L/Δ1/3查得标准系数C0，再根据Cb、B/T、xc、Lwl与标准船型的差异进行4个步骤的修正，其修正值分别为Δ1、Δ2、Δ3、Δ4。修正系数C4=C0+Δ1+Δ2+Δ3+Δ4，实际设计船的有效功率为

(1)

经过对242个速度点4个修正量的统计分析可知，其中关于xc、Lwl的修正量Δ3、Δ4较小，对结果影响不大；而Cb、B/T的修正量Δ1、Δ2较大。故只改进Cb与B/T的修正方法，使艾尔法更适用于珠江、闽江水系船舶的阻力估算。进一步对修正量Δ1、Δ2进行统计分析，发现对计算结果影响较大的因素，比较其估算误差，最终完善确定Cb与B/T的修正方法和相关修正系数。

1.1.1 方形系数Cb的修正

当Fr较大时，标准方形系数Cbc与Cb之差较大，使得Cb的修正量过大而影响了计算精度。当Cb>Cbc时，艾尔法的修正系数Kbc为

(2)

对此，将其修正为：当Kbc<-10时，Kbc=-10。

则，修正量：Δ1=C0×Kbc，C1=C0+Δ1。

1.1.2 宽度吃水比B/T的修正

艾尔法的标准船型B/T=2，原修正方法为

(3)

式中：D20=B/T-2。

在此将D20修正为当B/T<3：D20=B/T-2；

当B/T>3：D20=2×B/T-5，如果Cb>0.87且B/T>3.5，D20=2×B/T-5.5；

且当D20>4：D20=4。

分别用原艾尔法和修正后的艾尔法对242个样本点进行计算，将结果与试验数据进行比较分析。将计算值与试验值之间的相对误差以5%为间距划分区间并统计各区间分布的样本比例，见图2。

图2 计算值与试验值的相对误差的分布

由图2可见，原版艾尔法的结果相对误差的绝对值大于5%的样本点所占比例达70%；而修正艾尔法的结果则有69%的样本点分布于-5%至5%之间，且95%处于-12.5%～12.5%之间。这表明修正后的艾尔法更适合于珠江、闽江船舶的有效功率估算。

1.2 螺旋桨推进功率的计算

内河船舶螺旋桨基本采用图谱桨，包括MAU型桨和B型桨，这2种图谱桨的kt、kq图谱已有回归公式可供直接计算。

推进因子根据经验和船模试验数据选取合适的经验公式[8]伴流分数w和推力减额t为

(4)

式中：当Cb≤0.84时，f=0.143 5；当Cb>0.84时，f=0.132；n为螺旋桨个数；Dp为螺旋桨直径。

(5)

式中：p、q为系数。

当Cb≤0.84时，p=0.292 5，q=0.169 7；

当Cb>0.84时，p=0.276，q=0.16；

Vs为服务航速，km/h。

1.3 航速预报

采用修正的艾尔法求得船舶有效功率曲线，采用图谱回归公式求得螺旋桨有效推功率和对应的主机功率，通过船机桨匹配得到给定工况下的船舶航速[9]。

2 实船航速验证

在珠江、闽江水系现有船舶基础数据库中，根据影响船舶阻力的主要船型参数，并结合实际情况(船期、调配等)，筛选了14艘船舶作为实船测试典型代表船型，其中广东6艘，广西6艘，福建2艘，见表2。

采用本航速预报算法对这14艘船舶的航速进行预报，并将预报结果与实船测试结果进行对比，结果见表3。由表3可见最大误差为10.8%，最小误差为0.1%，有8艘船舶的误差小于5%，预报航速与设计航速的误差绝对值|ε|进行统计分析可知：|ε|<5%，占57.1%；|ε|<10%，占92.8%。

表2 实船试验船舶列表

表3 实船试验航速与航速预报结果的比较

通过珠江、闽江实船航速验证结果表明，本文开发的航速预报算法与实船试验结果相比，误差在工程精度要求范围之内。

3 结论

1)计算分析表明，Cb与B/T这2个船型参数对艾尔法的估算结果影响较大，故针对性地改进了Cb与B/T的修正方法，使艾尔法更适用于珠江、闽江水系船舶的阻力估算。

2)珠江、闽江实船验证表明，本航速预报算法误差在工程精度要求范围内，具有良好的实用性，可用于珠江、闽江水系船舶标准化认定工作。

3)本文算法对极少数船舶预报不够精确，建议在后续研究工作中按船型、方形系数等参数分类，进一步修正优化艾尔法，提高航速预报精度。

4)本航速预报算法可为其他水域类似尺度比船舶的EEDI航速预报提供参考。

[1] 交通运输部.内河运输船舶标准船型指标体系[S].北京：交通运输部，2012.

[2] 交通运输部.内河运输船舶标准化管理规定[S].北京：交通运输部，2014.

[3] 中国船级社.内河船舶能效设计指数EEDI评估指南[S].北京：人民交通出版社，2012.

[4] 盛振邦,刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社,2003．

[5] 黄宏波.船舶设计实用手册[M].北京：国防工业出版社,2007．

[6] 刘桂杰,郭春雨,李茂华,等.船舶阻力图谱计算与模型试验结果比较分析[J].中国舰船研究,2014(3):38-42.

[7] 郭春雨,刘桂杰,周广利,等.艾亚法与兰泼凯勒法权重修正的船舶阻力预报[J].船海工程,2014(4):34-37.

[8] 郭春雨,陈月钢,王成尧,等.肥大型船舶实效伴流分析及预报[J].船海工程,2014(4):47-50,54.

[9] 王建政,王艺真,张文平,等.船机桨匹配设计软件研究开发[J].船舶与海洋工程,2014(1):45-49,56.

Development of Ship Speed Forecast Algorithm in Pearl River and Minjiang River and Verification by real ships

WANG Xi, CHEN Qing-ren, ZHANG Wei, YU Lu

(Wuhan Rule and Regulation Research Institute, China Classification Society, Wuhan 430022, China)

The Ayre’s method was modified according to the inland ship model test data, which can calculate the propeller propulsion power by using the map regression formula, forecast the ship speed in Pearl river and Minjiang river by matching the ship engine and propeller. The speed forecast results were verified by real ship tests. It was shown that the speed forecast algorithm meets the engineering accuracy and has a good practicability, which can be used in the standardization work of the existing ships in Pearl river and Minjiang river.

Pearl river； Minjiang river; speed forecast; Ayre method; real ship verification

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.010

2016-12-28

工业与信息化部高技术船舶科研项目

王曦(1983—)，男，硕士，工程师

研究方向：船舶性能/LNG船舶技术

U661.31

A

1671-7953(2017)04-0046-04

修回日期：2017-02-08