船舶阻力圖譜計算與模型試驗結果比較分析

劉桂杰，郭春雨,李茂華，黃超

1 哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001

2 中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431

0 引 言

準確預報船舶阻力是船舶設計工作中的重要任務之一。在船舶設計的初級階段，由于船舶型線尚未確定，因而不能用船模試驗或流體動力學（CFD）方法來確定船舶的阻力，只能采用近似方法估算，以選擇合理的主機，保證船舶能夠達到設計航速；或者在主機確定的情況下，預估阻力以確定航速［1］。這就需要將船舶的主尺度與主要船型參數相結合，考慮多參數變化的影響，預報多種情況下的船舶阻力，然后再對各種方案進行反復論證，最終得到滿足使用要求且阻力最小的船型。在這一過程中，快速、準確地預報各種不同參數下的船舶阻力是一項極其重要，同時又很困難的工作，一直抑制著船舶設計周期的縮短［2］。

當采用某一種方法估算船舶阻力時，首先需明確該方法所適用的船舶類型以及船型參數的適用范圍，因為船舶阻力計算結果的精度在很大程度上取決于所計算船型與該方法所給出的母船型的相似性［3-5］。本文將針對不同噸位、不同航速的肥大型船舶，采用阻力計算圖譜中的艾亞法和蘭坡凱勒法計算船舶阻力，并將計算結果與試驗值進行比較，以為船舶阻力計算選取合適的估算方法提供依據。

1 船舶阻力近似計算方法

不做船模試驗就能得到最接近的、近似的阻力值是方案設計或初步設計所追求的目標。基于此，為了提高近似計算的準確性，要對近似計算方法的原始資料情況有所了解，以便有針對性地選擇近似計算方法。船舶阻力的近似計算方法很多，但所有的這些方法都是根據船模系列試驗結果，或是在總結大量船模試驗或實船試驗的基礎上而得來，大致可以分為船模系列資料近似計算法、經驗公式近似計算法和母船型數據近似計算法 3 種［1-2］。

隨著船舶阻力和推進科學的發展以及船型的不斷優化，特別是近年來大方形系數球鼻艏船型的出現［4］，超出了過去常用方法（如圖譜法）和各種近似計算法的適用范圍［5-6］，迫使船舶設計者需對船舶快速性近似計算方法做出較大的改進。一方面，是對圖譜進行擴展改進，以適于現有船舶［7］，另一方面，就是結合現有船型的船模試驗資料，對已有的圖譜資料進行修正［8-9］。

本文將結合非系列化船模試驗圖譜和船模試驗數據統計的方法，分別采用艾亞法和蘭坡凱勒法計算3大主力船型的實船阻力，通過將計算的阻力值與試驗值進行對比，提出適用于不同噸位肥大型船舶的阻力計算方法，從而為進一步提出新型船舶的快速預報方法及修正提供參考。

2 船模水池試驗與計算結果分析

本次試驗在某大學的船模試驗水池進行。該水池長108 m，寬7 m，深3.5 m，拖車速度最大為6.5 m/s。阻力試驗的模型安裝與試驗布置如圖1和圖2所示，船模采用木質，縮尺比為λ=40。

根據項目合作單位提供的48000 t油船、115000 t油船，以及 35000 t散貨船、75000 t散貨船和82000 t散貨船等典型的肥大型船舶的相關資料，包括船型總體參數（垂線間長、型寬、型深、設計吃水、排水量、方形系數、棱形系數、濕表面積和浮心縱向位置等）和船模靜水阻力試驗（不同航速對應的阻力值），運用上述方法對船舶阻力進行計算，然后將修正前、后的計算結果與船模試驗值進行比較。具體的船型參數如表1所示。

圖1 船模試驗模型的安裝與試驗Fig.1 Model installation and test

圖2 船模試驗模型（船艏部）Fig.2 Towing model（bow）

表1 船舶主要船型參數Tab.1 Main design parameters of full ships

由于本文的研究主要是針對肥大型船舶的阻力計算方法，而現有船型的參數范圍已經超出了很多傳統的阻力快速預報方法，如系列60、泰勒圖譜和Holtrop法［10］，因此，本文將分別采用艾亞法和蘭坡凱勒法來計算肥大型船舶的阻力值，并將計算得到的阻力值與模型試驗值進行對比，計算出誤差。表2～表6所示分別為35000 t散貨船、48000 t油船、75000 t散貨船、82000 t散貨船和115000 t油船對應航速下的阻力計算值與模型試驗值的對比結果，表中的計算結果均為實船的阻力值。

表2 35000 t散貨船阻力值與試驗值對比Tab.2 Comparison of resistance and experimental values for 35000 t bulk carrier

表3 48000 t油船阻力值與試驗值對比Tab.3 Comparison of resistance and experimental values for 48000 t oil tanker

表4 75000 t散貨船阻力值與試驗值對比Tab.4 Comparison of resistance and experimental values for 75000 t bulk carrier

表5 82000 t散貨船阻力值與試驗值對比Tab.5 Comparison of resistance and experimental values for 82000 t bulk carrier

表6 115000 t油船阻力值與試驗值對比Tab.6 Comparison of resistance and experimental values for 115000 t oil tanker

3 模型試驗與圖譜計算分析比較

模型試驗結果與理論計算結果的比較如圖3～圖7所示。

圖3 35000 t散貨船的阻力計算值與試驗值比較Fig.3 Comparison of resistance and experimental values for 35000 t bulk carrier

圖4 48000 t油船的阻力計算值與試驗值比較Fig.4 Comparison of resistance and experimental values for 48000 t oil tanker

圖5 75000 t散貨船的阻力計算值與試驗值比較Fig.5 Comparison of resistance and experimental values for 75000 t bulk carrier

圖6 82000 t散貨船的阻力計算值與試驗值比較Fig.6 Comparison of resistance experimental values for 82000 t bulk carrier

圖7 115000 t油船的阻力計算值與試驗值比較Fig.7 Comparison of resistance and experimental values for 115000 t oil tanker

通過分析模型試驗值和圖譜阻力計算值，可以得出以下結論：

1）通過對比5艘新型船舶的阻力理論計算值與模型試驗值可以看出，采用兩種理論方法計算出的阻力值均大于試驗值，誤差約10%～40%，但其變化的趨勢基本一致。可以結合試驗值來對阻力理論計算方法進行修正，提高計算精度，從而找出一種適合肥大型船舶的阻力計算方法。

2）由圖譜計算來看，隨著航速的增大，阻力值的誤差會隨之增大，且航速對阻力值的影響也較大。因此，對于大噸位的中、高速船舶，阻力計算可選用蘭坡凱勒法；較小噸位的中、低速船舶則選用艾亞法較為適合。

3）從以上幾條實船的計算結果可以看出，在目前肥大型船舶的發展趨勢趨于大型化的前提條件下，雖然蘭坡凱勒法在阻力預報方面較艾亞法精度更高，更具適用性，但其預報精度也亟待提高。在蘭坡凱勒法建立的年代，部分肥大型船舶已有向大型化發展的趨勢，而蘭坡凱勒法也很好地考慮到了這一點。但與目前的肥大型船舶相比，當時船舶的航速還較低，因而航速對阻力的影響沒有得到足夠的重視。從以上計算實例中可以看出，隨著航速的增加，蘭坡凱勒法的計算誤差逐漸增大，這說明蘭坡凱勒法已經不能很好地反映航速增加情況下流場的變化。

4）一般而言，在可利用的船型資料或數據缺少的情況下，艾亞法和蘭坡凱勒法的估算結果較為穩定可靠，可以快速得到船舶阻力值，不失為較好的船舶阻力估算方法，但針對不同的船型，需要選取合適的計算方法。

4 結 語

本文在研究現有的主要計算船舶阻力快速預報方法的基礎上，結合對模型試驗資料的挖掘和對比分析，提出較大噸位的中、高速船舶適合采用蘭坡凱勒法，而較小噸位的中、低速船舶則采用艾亞法。本文所提出的結論對于3大主力船型中的肥大型船舶，其阻力計算結果與模型試驗結果吻合較好，因而具有一定的實用價值。但隨著船舶科學的不斷發展，前人留下的計算資料將很難滿足不斷出現的新型船舶，因此對現有方法進行修正已成為必要。隨著模型試驗數據的不斷完善，以及理論計算精度的逐漸提高，理論方法將會得到越來越廣泛的應用。

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