基于土屋孟公式的漁船有效馬力估算

張 怡，焦 爾，鄭建麗（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092）

0 引言

隨著世界燃油價(jià)格的不斷攀升，世界海洋捕撈漁業(yè)燃油成本急劇上升，目前已達(dá)到捕撈總成本45%以上，海洋捕撈正面臨前所未有的危機(jī)。而我國近海捕撈燃油成本更是接近70%，嚴(yán)重影響了漁業(yè)生產(chǎn)[3]。我國海洋捕撈漁業(yè)的漁船數(shù)量多，其中群眾漁業(yè)的漁船占了主導(dǎo)地位[1]，但是群眾漁業(yè)船舶的設(shè)計(jì)、制造還比較落后，船—機(jī)—槳—網(wǎng)匹配不盡合理，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，不匹配率達(dá)40%以上[2]，這不僅影響了漁船的作業(yè)效率，大大制約了漁業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，而且增加了漁船的能耗，甚至給漁業(yè)生產(chǎn)帶來安全隱患。最近幾年，國家每年都要支出100多億元燃油補(bǔ)貼，以維持海洋捕撈的正常生產(chǎn)；遠(yuǎn)洋漁業(yè)也面臨同樣的問題，同時(shí)還需要應(yīng)對(duì)環(huán)保壓力。世界各國都已認(rèn)識(shí)到捕撈漁業(yè)節(jié)能減排的重要性，日本長(zhǎng)期支持漁業(yè)節(jié)能，特別是海洋捕撈節(jié)能減排技術(shù)的系統(tǒng)研究，歐盟也啟動(dòng)了漁業(yè)節(jié)能項(xiàng)目 ESIF“Energy saving in Fisheries”，開發(fā)應(yīng)用了多種節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品和措施，取得了良好效果。但是，補(bǔ)貼和使用節(jié)能產(chǎn)品僅能解決部分問題，當(dāng)務(wù)之急是應(yīng)合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)漁船船型，設(shè)計(jì)出阻力更小、更節(jié)能的船型。

船舶設(shè)計(jì)已進(jìn)入信息化時(shí)代，對(duì)于大型船舶而言，無論是針對(duì)初步設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、還是生產(chǎn)設(shè)計(jì)，國內(nèi)外都開發(fā)了許多專業(yè)的軟件。而專門針對(duì)漁船的設(shè)計(jì)軟件則十分匱乏，因漁船自身的特殊性，無法使用大型船舶的設(shè)計(jì)軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)，若憑借經(jīng)驗(yàn)在原有船型上進(jìn)行調(diào)整，不僅效率低，而且造成了很大的重復(fù)勞動(dòng)，使得漁船設(shè)計(jì)很少有創(chuàng)新。漁船設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)能使?jié)O船設(shè)計(jì)的效率大大提高，并使設(shè)計(jì)人員的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到新的節(jié)能船型的開發(fā)上，減少大量的重復(fù)勞動(dòng)，且符合低碳這一理念。其中，漁船有效馬力估算軟件是漁船設(shè)計(jì)軟件中一個(gè)重要的模塊，漁船有效馬力估算軟件主要用于漁船設(shè)計(jì)初期階段，在船型基本參數(shù)確定之后，估算航速與有效馬力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而分析該船型的主尺度是否合適。對(duì)于不合要求的船型可以在設(shè)計(jì)之初就進(jìn)行改進(jìn)。

1 軟件編寫理論依據(jù)

漁船設(shè)計(jì)時(shí)，尋求最小阻力的尺度最佳組合已成為常態(tài)；在制定設(shè)計(jì)方案的過程中，在變更方案中的某些尺度后，常需要迅速進(jìn)行阻力情況的預(yù)報(bào)。此外，更重要的是漁船設(shè)計(jì)者需要掌握各船型要素對(duì)漁船阻力的影響情況以及船型要素相互間的影響，以確切地掌握漁船的阻力特征。針對(duì)這些需求，通過漁船船模阻力試驗(yàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析得到一些估算阻力的圖譜和計(jì)算公式將是有所幫助的[7]。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，世界各國及地區(qū)都有依據(jù)各大模型水池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來的漁船有效馬力估算經(jīng)驗(yàn)公式。比較有名的是英國D.J.Doust、日本土屋孟公式等。

由于我國漁船船型更類似于日本的尖瘦型，故文章研究的漁船有效馬力估算軟件主要參考日本的土屋孟公式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

漁船有效馬力的估算是總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要步驟，是航速預(yù)估、船型優(yōu)化等步驟的前提。因此估算有效馬力，首先需要確定船型基本主尺度，由于經(jīng)驗(yàn)公式是對(duì)大量的船型數(shù)據(jù)歸納總結(jié)而來，因此有其局限性，只有航速在如圖1所示的限制范圍內(nèi)，其他船型要素在表1所示的限制范圍內(nèi)，才可進(jìn)行估算。土屋孟公式的總體思想是通過歸納分析得出300 t排水量船型的有效馬力估算經(jīng)驗(yàn)公式，而其他排水量的漁船則通過回歸換算后視其為300 t排水量，在相同排水量下采用統(tǒng)一的估算公式來估算有效馬力與航速。

表1 船型要素的限制范圍

最終公式利用r300和Fn▽計(jì)算任意排水量下實(shí)船的有效馬力EHP為：

式（1）、（2）中，L為船體設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)，m；▽為排水體積，m3；Δ為實(shí)船的排水量，t；Fn▽為體積傅汝德數(shù)；Amax為船體吃水線下的最大橫截面積，m2；α為方龍骨的截面積，m2；B為船寬，m；T為吃水，m。[6]

2 程序及界面設(shè)計(jì)所遵循的原理

軟件程序在編寫過程中遵循盡量使計(jì)算機(jī)語言簡(jiǎn)潔易懂的原則，所以在每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)中都注意到以下幾點(diǎn)[4]：

1）盡量減少全局變量的使用，而多使用局部變量，因?yàn)檫^多的全局變量會(huì)導(dǎo)致程序混亂，且不容易找到出錯(cuò)的地方。

2）程序中使用的用戶標(biāo)識(shí)符除遵循變量命名規(guī)則外，一般未使用代數(shù)符號(hào)作為變量名，如a，b，x1，Y1，而是選取具有船舶專業(yè)相關(guān)含義的英文單詞（或其縮寫）或漢語拼音作為變量名，以增加程序的可讀性，如：Cm，Cp，ALFABS，ZuobiaoNum等。在軟件設(shè)計(jì)中還采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則，主要包括單一職責(zé)原則、開閉原則、替換原則、依賴倒置原則、接口分離原則。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)是一種以數(shù)據(jù)（對(duì)象）及其接口為重心的程序設(shè)計(jì)技術(shù)，是定義程序模塊如何“即插即用”的機(jī)制。圖2為軟件最終的操作流程圖。

具體流程為：

（1）在輸入的船型要素的基礎(chǔ)上計(jì)算出x1～x13，確定某一計(jì)算初始速度，并計(jì)算出此速度下的體積傅汝德數(shù)（Fn▽）。

（2）由于此公式對(duì)于體積傅汝德數(shù)有一定的適用范圍，即Fn▽=0.45～0.8，故當(dāng)計(jì)算出的Fn▽＜0.45時(shí)，將速度疊加并重新計(jì)算新的傅汝德數(shù)，直至Fn▽＞0.45；當(dāng)Fn▽＞0.45時(shí)，進(jìn)行插值計(jì)算回歸系數(shù)，代入x1～x13求得r300及rs，計(jì)算出此速度下的有效馬力EHP與航速Vk（單位：節(jié)）。

（3）將速度疊加后計(jì)算下一個(gè)有效馬力EHP與航速Vk，直至到Fn▽＞0.8結(jié)束程序，輸出計(jì)算表。其中插值計(jì)算回歸系數(shù)采用Visual Studio讀取excel文件的回歸系數(shù)表來進(jìn)行線性插值計(jì)算；軟件運(yùn)行結(jié)束時(shí)輸出的有效馬力計(jì)算數(shù)據(jù)輸出表與計(jì)算過程中同步繪出的航速-有效馬力曲線相對(duì)應(yīng)。

3）軟件界面采用標(biāo)簽形式，力求簡(jiǎn)潔明了，輸入與輸出內(nèi)容位于不同標(biāo)簽內(nèi)，如圖3所示。

圖3 有效馬力估算軟件運(yùn)行界面

3 實(shí)船算例與模型試驗(yàn)分析

以下為上海漁船更新改造項(xiàng)目中的一型拖網(wǎng)漁船，其主尺度及船型參數(shù)如下：

水線長(zhǎng)L為32.74 m；型寬B為6.2 m；吃水T為2.2m；排水量△為225.6 t；舯剖面系數(shù)Cm為0.864；棱形系數(shù)Cp為0.599；浮心縱向位置LCB（%）為-2.17；滿載水線半進(jìn)水角為1/2αe 17°；去流角為 1/2αr 20°；αBS 16°；縱傾為 t/L 0.0258；α/Amax0.0038。經(jīng)漁船有效馬力估算軟件計(jì)算得出的結(jié)果如表2所示。

表2 有效馬力計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果

同時(shí)，針對(duì)該船型我們還做了模型水池試驗(yàn)，船模與實(shí)船比例λ=1∶10，船模主尺度為：

水線長(zhǎng)L 3.274 m，型寬B 0.62m，吃水T 0.22m，排水量△ 0.22t。

經(jīng)軟件計(jì)算出的曲線與船模水池試驗(yàn)做出的阻力曲線如圖4、圖5所示，可見，通過該軟件計(jì)算結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)束語

漁船有效馬力估算軟件的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于精度控制，插值計(jì)算，算法優(yōu)化等。漁船設(shè)計(jì)不同于商船設(shè)計(jì)，由于經(jīng)費(fèi)有限，無法做到每種船型都進(jìn)行船模試驗(yàn)，故在總體設(shè)計(jì)時(shí)采用軟件進(jìn)行有效馬力的估算顯得十分必要。只有真正估算出實(shí)船有效馬力才是真正有益于漁船設(shè)計(jì)的，這就需要通過大量的實(shí)船或船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行修正。相信不斷地通過更多實(shí)際船型的數(shù)據(jù)對(duì)此公式進(jìn)行修正，該漁船有效馬力估算軟件將能更適合于我國的漁船設(shè)計(jì)，為改變我國漁船陳舊落后、耗能低效的局面做出貢獻(xiàn)。

[1]農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局.中國漁業(yè)年鑒[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2002.

[2]宋協(xié)法, 焦志剛.通過主機(jī)軸功率的測(cè)試判斷船體、主機(jī)、螺旋槳三者的匹配狀況[J].海洋湖沼通報(bào),1997(1):19-22.

[3]李吉強(qiáng), 高偉, 尹瑞業(yè).當(dāng)前海洋捕撈業(yè)的幾個(gè)問題與對(duì)策探討[J].中國水產(chǎn), 2004(2):77-78.

[4]郭維, 胡雄.大型金屬構(gòu)件疲勞壽命估算軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程, 2006(3):35-36.

[5]土屋孟.漁船船型の有効馬力に関する統(tǒng)計(jì)解析[J].昭和47年10月日本造船學(xué)會(huì)秋季講演會(huì)において講演): 70-72.

[6]章可畏.新的有效馬力估算法——土屋孟公式[J].漁業(yè)機(jī)械儀器, 1986(1): 22-28.

[7]賈復(fù).漁船設(shè)計(jì)[M].北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1990(1):98.