5 668 TEU集裝箱船球艏改型與浮態節能的實船驗證

伍 銳， 季 盛， 陳昌運， 文逸彥， 崔 健， 車霖源， 馬衛星

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

2017-04-21

工信部高技術船舶科研計劃項目([2014]502)

伍 銳(1983—)，男，四川內江人，助理研究員，碩士，主要從事水動力試驗研究。E-mail:wurui@sssri.com

1000-4653(2017)03-0083-05

5668TEU集裝箱船球艏改型與浮態節能的實船驗證

伍 銳， 季 盛， 陳昌運， 文逸彥， 崔 健， 車霖源， 馬衛星

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

針對目前集裝箱船大多處于偏離原設計狀態的低載貨量及降速航行狀態，快速性較差的問題，提出球艏改型和浮態節能技術2種節能方案，并以5 668 TEU型集裝箱船為例對這2種節能方案進行實船驗證。研究分析該型集裝箱船的實際營運狀態特點，闡釋球艏改型與浮態節能的關系，擬定實船驗證的技術路線。通過對2艘姊妹集裝箱船(原球艏船和改型球艏船)進行試航，對球艏改型(船)和浮態節能技術進行實船驗證。經驗證，球艏改型和浮態節能技術的效果明顯，且改型球艏船更加適應低載貨量、降速航行的營運現狀。

集裝箱船；球艏改型；浮態節能；實船驗證；試航

由于航運市場持續低迷，目前集裝箱船實際營運的載況和航速均偏離原設計狀態，原設計球艏易露出水面，會對船體興波產生不利干擾，增大船舶的阻力。解決該問題有以下2種方法[1-11]：

1)球艏改型方案。根據船舶營運情況，兼顧多個吃水和航速狀態，采用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法優選球艏方案，并進行船模試驗，確定實船球艏改型方案。

2)浮態優化方案。通過調節縱傾實現節能。一般通過模型試驗進行縱傾節能研究，繪制縱傾節能譜線，并開發縱傾優化應用軟件。

這里根據5 668 TEU型集裝箱船營運狀態變化的特點，解釋球艏改型與浮態優化的關系，并擬訂實船驗證的技術路線。通過2艘姊妹集裝箱船(分別為原球艏船和改型球艏船)的實船試驗，對球艏改型和浮態優化的節能效果進行驗證。

1 營運狀態的變化特點

該型集裝箱船的設計吃水為12 m，原球艏高約11 m，設計航速約26 kn，為單載況優化船型。對該船2012年全年的營運資料進行分析發現：

1)營運航速主要在16.0～20.5 kn，低于設計航速。

2)在12 m吃水以下營運的概率為60.7%，低于設計吃水。

3)營運浮態主要為艉傾狀態。

4)實際航行中原球艏高于設計值，達44.28%。分析認為，將球鼻艏高度降低到9.5 m后，球艏出水率將降低到14.94%，能在大部分載況下發揮節能作用。

2 球艏改型與浮態優化的關系

艉球艏改型與浮態優化的關系示意見圖1。以平均吃水9.5 m為例，原球艏在平浮、艉傾和艏傾下均出水；改型球艏在平浮時正好與水面齊平，艏傾時埋于水面以下，艉傾時出水。球艏出水后起不到減小興波阻力的作用。因此，針對實際營運狀態的變化特點，降低球艏高度，并采用平浮或艏傾進一步使球艏埋在水下一定深度，有利于減小興波阻力，降低主機能耗，達到節能減排的目的。

圖1 球艏改型與浮態優化的關系示意

3 技術路線

對于浮態優化節能效果的實船驗證，可通過改變縱傾，在相同航速下分別測量船舶在不同縱傾浮態下的軸功率，直接進行功率比較來實現。

球艏改型節能實船驗證很難滿足理想條件。原球艏船的污底情況與改型球艏船不同。實船試驗時的吃水由營運情況決定，不能保證2艘船舶的實船試驗在相同的吃水下進行。因此，2艘船舶的實測功率不能直接比較。首先需對實船試驗修正結果和模型試驗預報結果進行相關分析，得到船模-實船功率相關因子后將模型試驗預報結果修正到實船，最后進行相應狀態下2艘船的軸功率比較。實船驗證技術路線見圖2。

圖2 實船驗證技術路線

4 實船試驗

4.1實船試驗方法

在船舶到達測試水域之后，記錄天氣和海況，依次按照16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速直線航行，并保持主機轉速和航向不變(少操舵，避免大舵角)，進行3個航速下的功率測試，每次測量時間≥10 min。在完成測試之后，調轉船頭，沿與原航向相反的航向進行3個航速下的功率測試。合計完成往返各6個航次、3個航速的實船試驗。

4.2原球艏船實船試驗

4.2.1原球艏船實船試驗數據記錄

實船試驗數據見表1和表2，其中：統計浮態由2012年統計浮態回歸得到；最佳浮態由上海船舶運輸科學研究所研發的原球艏集裝箱船浮態優化系統得到。

4.2.2原球艏船實船試驗數據分析

實船試驗數據采用2012版國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference, ITTC)實船快速性試驗數據修正方法修正，分別得出16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速下的軸功率與浮態節能的百分比(見表3和圖3)。

4.3改型球艏船實船試驗

4.3.1改型球艏船實船試驗數據記錄

實船試驗數據見表4和表5，其中：統計浮態由2012年的統計浮態回歸得到；最佳浮態由上海船舶運輸科學研究所研發的改型球艏集裝箱船浮態優化系統得到。

4.3.2改型球艏船實船試驗數據分析

實船試驗數據采用2012版ITTC實船快速性試驗數據修正方法修正，分別得出16.0 kn，17.5 kn和19.0 kn航速下的軸功率與浮態節能的百分比(見表6和圖4)。

表1 原球艏船實船試驗載況和環境條件記錄

表2 原球艏船實船試驗航速功率記錄

表3 原球艏船不同浮態實船航速功率對比

5 船模-實船相關性分析

船模試驗采用ITTC：1978標準預報方法預報實船功率。改球艏船剛出塢，污底的影響可忽略。由實船-船模相關分析可得相關功率因子Cp=1.03。原球艏船Cp的取值與改球艏船相同。經分析，該船需再額外考慮污底影響導致的功率增加。

6 實船驗證試驗總結

對不同航速和吃水條件下的集裝箱船球艏改型和浮態節能數據進行匯總，結果見表7。

因為實船測試原球艏船平均吃水在12.5 m左右，表7中列出的原球艏船平均吃水9.5 m處的實船測試數據是在確定功率因子Cp后通過模型-實船換算方法計算出來的(各浮態下的艏艉吃水實際取值與改型球艏船實船測試中各浮態下的艏艉吃水一致)。改型球艏船平均吃水12.5 m數據采用相同方法處理的同時，考慮4%左右的污底影響，以便與原球艏船實測數據中的污底影響保持一致。

表4 改型球艏船實船試驗載況和環境條件記錄

表5 改型球艏船實船試驗航速功率記錄

表6 改型球艏船不同浮態實船航速功率對比

圖3 原球艏船不同浮態實船功率對比

圖4 改型球艏船3種浮態實船功率對比

航速/kn平均吃水/m浮態節能/%原球艏船型改球艏船型平浮浮態最佳浮態平浮浮態最佳浮態球艏改型節能/%球艏改型與浮態優化綜合節能/%統計浮態平浮浮態最佳浮態改型平浮浮態較原型統計浮態改型最佳浮態較原型統計浮態16．017．519．09．510．511．512．59．510．511．512．59．510．511．512．5預報實船預報預報預報實船預報實船預報預報預報實船預報實船預報預報預報實船3．556．262．737．246．595．807．569．1413．351．254．200．836．554．704．297．045．4910．942．969．293．147．438．618．786．7411．4815．404．7712．773．076．137．976．320．9610．8013．618．6911．623．028．253．57-2．43-0．116．4811．52-12．57-9．443．95-0．51-13．022．034．832．305．733．844．114．756．069．35-0．352．562．545．681．023．874．183．546．642．776．783．066．726．306．586．239．1712．594．2310．743．406．835．504．681．368．7111．957．6411．523．5510．611．92-2．430．915．4012．32-10．81-10．041．58-0．74-11．462．076．302．016．403．683．623．795．629．850．034．211．495．471．042．482．352．516．452．117．062．676．914．204．744．046．7610．823．679．063．156．823．362．840．996．419．967．7710．773．6210．710．79-3．680．734．3811．42-8．02-8．310．71-1．03-8．96

7 結束語

通過對不同營運狀態下的5 668 TEU型集裝箱船原球艏船和改球艏船進行實船試驗，得出以下結論：

1)浮態優化節能效果顯著。原球艏船在平均吃水12.5 m左右、航速16.0～19.0 kn范圍內，最佳浮態節能效果達8.02%～12.57%，與模型試驗預報結果基本一致；改球艏船在平均吃水9.5 m左右、航速16.0～19.0 kn范圍內，最佳浮態節能效果達5.47%～6.55%，與模型試驗預報結果基本一致。

2)球艏改型更加適應集裝箱船低載貨量、降速航行的營運現狀。在相同航速和相同浮態下，輕載時球艏改型的節能效果更佳；在相同平均吃水和浮態下，低速時球艏改型的節能效果更佳；在統計浮態，航速為16.0 kn，平均吃水10.5 m狀態下，球艏改型節能效果最高可達8.61%。

在低航速和低吃水狀態下，改球艏船的平浮節能效果優于原球艏船，充分證明球艏改型更加適應集裝箱船低載貨量、降速航行的營運現狀。

3)球艏改型與浮態優化綜合節能效果更加優異。球艏改型和浮態優化綜合節能效果優于只采用浮態優化措施的節能效果。在平均吃水10.5 m，航速16.0 kn時，球艏改型和浮態優化的綜合節能效果(15.40%)優于原球艏船的最佳浮態(9.29%)。

[1] 伍銳,季盛,文逸彥，等.集裝箱船浮態優化與球艏改型節能技術的實船驗證[C]//聚焦應用支撐創新——船舶力學學術委員會測試技術學組2016年學術會議論文集.無錫:船舶力學編輯部，2016：251-261.

[2] 崔健,車霖源,伍銳.5 668 TEU集裝箱船球鼻艏改型與浮態節能實船測試研究報告[R].上海:上海船舶運輸科學研究所,2014.

[3] 車霖源,陳昌運,馬衛星,等.5 668 TEU集裝箱船球鼻艏改造節能研究[J].中國航海,2015,38(2):109-113.

[4] 馬衛星,車霖遠,崔健.浮態節能技術在某型集裝箱船上的應用[J].中國航海,2015,38(3):112-115.

[5] 彭斌.船舶節能技術綜述[J].艦船科學技術,2005,27(S1):3-6.

[6] 陳文芝.現代船舶節能技術綜述[J].武漢造船,1996(3):48-50.

[7] MATULJA D, DEJHALLA R. Genetic Algorithm Optimization of A Ship's Bulbous Bow [C]//Annals of DAAAM for 2011 & Proceedings of the 22nd International DAAAM Symposium, 2011：15-16.

[8] 侯立平.節能型集裝箱船型研究[J].船舶與海洋工程,2013,95(3):27-29.

[9] 黃煒.船舶節能減排的建議及思考[J].中國水運(下半月),2009,9(11):64-65.

[10] 劉英良. 基于CFD的超大型集裝箱船型線優化研究[D]. 北京：中國艦船研究院，2014.

[11] KARRI KRISHNA M. Hull Shape Optimization for Wave Resistance Using Panel Method [D]. New Orleans: University of New Orleans, 2010.

FullScaleValidationofBulbousBowRetrofitandTrimOptimizationfor5668TEUContainerVessel

WURui,JISheng,CHENChangyun,WENYiyan,CUIJian,CHELinyuan,MAWeixing

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

Due to the weak shipping market, most container vessels are in a state of low cargoes and slow steaming at present, which deviates from the original design point, leading to poor power-speed performance. To solve this problem, two energy saving measures are proposed, i.e. bulbous bow retrofit and trim optimization energy-saving technologies, for a certain type of container vessel. The container ships’ navigational data are analyzed to master the characteristics of the navigation condition; The relationship between bulbous bow retrofit and trim optimization is studied to work out the technical route; Sea trials of two sister container vessels (an original bulbous bow ship and a retrofit bulbous bow ship) are carried out to validate the bulbous bow retrofit and trim optimization. It is proved that bulbous bow retrofit and trim optimization are effective for energy-saving, and the bulbous bow retrofit technology fits perfectly to the current status of low cargoes and slow steaming.

container vessel; bulbous bow retrofit; trim optimization; full scale validation; sea trial

U674.13+1

A