PCTC最佳纵倾模型试验

黄珍平， 马卫星， 陈晓莹

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135; 2.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

PCTC最佳纵倾模型试验

黄珍平1， 马卫星1， 陈晓莹2

(1.上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135; 2.沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

浮态控制是一种简单有效的船舶航运节能方式。通过对一艘万车汽车运输船(Pure Car/Truck Carrier,PCTC)进行不同纵倾下的阻力和自航试验，分析纵倾对船舶阻力和推进的影响，以得到不同航速下的最佳纵倾。试验结果显示,高速时最佳纵倾相对于平吃水螺旋桨收到功率减小1%～2%，低速时减小7%～8%。

汽车运输船;节能;最佳纵倾;模型试验

0 引 言

节能减排是目前航运业的热点问题,浮态节能技术通过调整船舶的纵倾来改善船舶的水动力性能,是一种简单有效的节能方式,已逐渐被人们重视。随着航运公司要求控制燃油消耗成本、提高经济效益和减少废气排放，部分船舶采取减速航行的方式，偏离原有的设计状态使得快速性能变差，该情况可通过调整纵倾来改善。此外，有时在船舶实际配载中不能完全保证船舶处于最佳设计吃水状态，并且对于有球艏的船型，吃水的变化会导致球艏的作用不同，存在功率消耗最小的最佳纵倾状态。目前已有通过模型试验获得集装箱船最佳纵倾的研究[1]，其效果已在实船试航中得到验证[2]。

通过对一艘万车汽车运输船(Pure Car/Truck Carrier,PCTC)进行满载状态下的最佳纵倾模型试验，研究相关船型在最佳纵倾下的节能效果。保持排水量为设计排水量不变，进行不同船速、不同纵倾下的船舶阻力试验和自航试验，根据试验结果分析纵倾对船舶阻力和推进影响，得到该船型的最佳纵倾。

1 试验简介

1.1试验模型与工况

实船和船模满载状态下的主要参数见表1。试验采用木质船模，未安装舭龙骨，采用激流丝方式，采用设计桨，桨前安装有节能定子，试验船模见图1。选取试验的纵倾范围为-2～3 m，间隔为1 m，其中正值表示艉倾，负值表示艏倾。为更加接近实际情况，试验各纵倾吃水保持等排水量，在排水量始终等于满载排水量的前提下,调整艏艉吃水至所需纵倾。按等平均吃水的方法确定对应纵倾下的艏艉吃水dF，dA(见图2)，然后保持该纵倾不变，将船体上下移动(等量改变艏艉吃水Δd)，直至排水量与设计吃水的排水量一致，此时等排水量的纵倾吃水为dF+Δd，dA+Δd,最终确定的试验吃水工况见表2。

表1 船舶主要参数

纵倾/m艉吃水/m艏吃水/m排水量/m3湿表面积/m2-29．08511．085468668871-19．54810．548468668941010．00010．000468669029110．4429．442468669088210．8768．876468669097311．3068．306468669087

1.2试验内容与分析方法

试验在上海船舶运输科学研究所船模拖曳水池中进行，水池的长、宽和水深分别为192 m，10 m及4.2 m。对船舶进行表2中6个吃水下的阻力试验和自航试验。该船的设计航速为16 kn，所取试验航速范围对应实船12～17 kn。阻力试验分析方法采用二因次法，利用1957年国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference,ITTC)推荐的摩擦阻力系数计算公式换算至实船。自航试验采用强迫自航法，外推方法采用1978年ITTC推荐的换算方法。

2 试验结果

根据阻力试验结果预报实船的有效功率见图3，将平吃水各速度下的有效功率取为1，则其他纵倾下的有效功率相对值见表3。由图3和表3可知:在15～17 kn的高速段,艏倾1 m时的有效功率最低，阻力性能最好，阻力较平吃水降低2%～3%;在低速段,艏倾2 m时的阻力性能最好，阻力较平吃水降低4%～6%。艉倾对阻力性能不利，在各航速下随着艉倾的逐渐增大,有效功率均逐渐增加。

航速/kn-2m-1m0m1m2m3m120．9400．9521．0001．0281．0871．181130．9530．9591．0001．0241．0821．188140．9630．9631．0001．0271．0771．196150．9720．9671．0001．0241．0671．195160．9830．9741．0001．0151．0601．180170．9880．9811．0001．0121．0701．158

根据自航试验预报实船的螺旋桨收到功率及自航因子(见图4～图10),同样将平吃水各速度下的螺旋桨收到功率取为1，则其他纵倾下的螺旋桨收到功率相对值(见表4)。可知在航速为16 kn和17 kn时,艏倾1 m的收到功率最低，其他航速下是艏倾为2 m时收到功率最低。各航速下随艉倾的增大收到功率逐渐上升。高速段合理选择纵倾相对平吃水可节能1%～2%，低速段节能甚至可达7%～8%。

推进效率随纵倾的变化(见图5)，低速段从艏倾到艉倾，推进效率呈下降趋势，但在艏倾1 m处的推进效率有一个局部谷点；高速段平吃水或小艉倾的推进效率最高，但与艏倾差别不大，艉倾继续增大将导致推进效率逐渐减低。图6～图8显示了推力减额、伴流分数及船身效率随纵倾的变化，推力减额整体随艉倾的增大而降低，但在低速段艏倾1 m处推力减额最大；伴流分数在各速度下均随艉倾的增大而降低；受推力减额和伴流分数的影响，船身效率整体随艉倾增大也有下降的趋势，但呈现一定的波动，尤其在低速段波动较大，高速段各纵倾则差别不大，受推力减额影响,船身效率随速度升高而降低。图9和图10显示敞水效率和相对旋转随纵倾的变化，随着艉倾的增大,敞水效率先增大后减小，平吃水时敞水效率最高；相对旋转效率随纵倾变化波动较小，但随着航速的降低而降低。

航速/kn纵倾/m-2-10123120．9170．9601．0001．0461．1071．251130．9370．9791．0001．0471．1141．261140．9580．9851．0001．0421．1061．251150．9760．9851．0001．0351．0931．231160．9890．9831．0001．0231．0821．206170．9940．9841．0001．0061．0771．182

3 分析讨论

3.1纵倾对阻力影响

在同一航速下，纵倾变化后有2个因素会对阻力变化造成影响,分别是湿表面积的变化和阻力系数的变化。采用二因次法分析，摩擦阻力系数在同一航速、不同纵倾下可认为相等(忽略水线长的略微变化)，故阻力系数变化主要是剩余阻力系数的变化。计算各纵倾下湿表面积相对于平吃水湿表面积的变化(见表5)，12 kn和16 kn航速下实船剩余阻力系数Cr和总阻力系数Ct的相对值见图11。从表5和图11可知，12 kn航速下总阻力在艏倾2 m时最低，此时剩余阻力系数和湿表面积均最小。从表3和表5可知,剩余阻力系数对总阻力的影响更大；16 kn航速下，艏倾为1 m的剩余阻力系数最小，虽然此时的湿表面积并非最小，综合起来总阻力仍为最低，由表3可知,16 kn航速下艏倾相对于平吃水阻力的降低2%，阻力降低中湿表面积的变化占很大比重，尤其是艏倾2 m时总阻力系数与平吃水几乎一致，阻力的降低主要是由于湿表面积的减小。艉倾时的阻力增加则主要来自于剩余阻力系数的升高。

3.2最佳纵倾

最佳纵倾的选择以最终螺旋桨的收到功率作为评判，需同时考虑阻力与推进效率。从各推进因子的图中可知，纵倾会对推进效率造成影响，而其中受纵倾影响最大的推进效率部分为船身效率，具体体现在对推力减额和伴流分数的影响上。船舶纵倾造成桨轴倾斜，使得桨盘面处进流发生改变。随着艏倾变为艉倾，推力减额和伴流分数均有下降的趋势。最终试验结果显示:在高速段艏倾为1 m时，螺旋桨收到功率最小；低速段则是在艏倾为2 m时螺旋桨收到功率最小。与直接根据有效功率来选取最佳纵倾的结果基本一致，这是由于本试验中阻力的影响占主导作用。由图5可知,艏倾与平吃水比较，高速时推进效率差别较小，最佳纵倾基本由阻力决定；低速时，艏倾为2 m的阻力和推进效率均最优，但还是阻力相对平吃水的改善量更大。

表5 各纵倾下湿表面积的变化

需指出,艏倾为1 m和2 m仅是在试验方案中优选的最佳纵倾，事实上在高速段，艏倾在0～2 m间、低速段艏倾>2 m的某个纵倾是收到功率最小的最佳纵倾，但由于试验的局限性难以获得，可通过计算流体动力学(Conputational Fluid Dynamics,CFD)方法对船舶的纵倾进行更加深入地优化。航速为16 kn时，各纵倾的船模总阻力系数Ctm相对值的CFD计算与试验的对比(见图12)，可知与试验符合度较好。CFD数值模拟可更多地应用到船舶最佳纵倾的研究中。此外,还需注意此处提到的最佳纵倾仅是理想情况，实船航行中由于配载等其他因素的限制，需综合考虑,选择合理的纵倾。

4 结 语

通过对万车PCTC进行最佳纵倾船模试验、阻力试验和自航试验可知:在高航速段,艏倾1 m为最佳纵倾，相对平吃水可节能1%～2%;在低航速段,艏倾2 m为最佳纵倾，相对平吃水可节能7%～8%。在最佳纵倾的选取中,阻力的影响要大于推进效率，低速艏倾对阻力性能的改善主要归因于剩余阻力系数的降低，高速时除剩余阻力外，湿表面面积的变化也占很大比重；推进效率随艉倾的增加整体有下降的趋势，推进效率成分中船身效率受纵倾影响最大；CFD方法可更多地应用到船舶最佳纵倾的研究中，以弥补模型试验的不足。

[1] 马卫星，车霖源，崔健.浮态节能技术在某型集装箱船上的应用[J].中国航海，2015，38(3)：112-115.

[2] 伍锐，季盛，文逸彦.集装箱船浮态优化与球艏改型节能技术的实船验证[C]//中国造船工程学会船舶力学学术委员会测试技术学组.聚焦应用 支撑创新——船舶力学学术委员会测试技术学组2016年学术会议论文集.北京:中国造船工程学会，2016.

ExperimentalStudyonOptimalTrimofaPCTC

HUANGZhenping1，MAWeixing1，CHENXiaoying2

(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China； 2. Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

The trim optimization is a simple but effective method for ship energy saving. Resistance and self-propulsion tests are performed for a PCTC model with different trim settings. Influences of the trim on ship resistance and propulsion are analyzed based on the model test results. The optimal trim of the ship at different speeds is obtained. Results show that at high speed, the delivered power for the ship with optimal trim is reduced by 1%～2% compared to the same ship on even keel, and the decrease is 7%～8% when ship at low speed.

PCTC; energy saving; optimal trim; model test

U661.73

A

2017-02-14

黄珍平(1989—),男,江西新余人，助理研究员,硕士,主要从事船舶水动力研究。

1674-5949(2017)03-0007-05