實船快速性能預估方法及試驗驗證

彭言峰

（南通遠洋船舶配套有限公司，江蘇南通 226013）

0 引言

快速性是船舶重要的性能之一，與船舶的經濟性和使用性密切相關。船舶快速性是在給定主機功率時，表征船舶航速高低的一種性能。在新船的設計階段往往需要能夠對船舶快速性能進行迅速而準確的預估。船舶大型化和高速化的發展對船舶快速性能的要求也越來越高。

目前，研究船舶快速性能的方法主要有計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）法和船模試驗法。隨著科學技術的快速發展，CFD已經得到廣泛應用。在實尺度的模擬計算方面，CFD技術也具有一定的精度。

在研究船舶快速性的問題上，船模試驗一直是最主要的方法，在船舶設計中所采用的系列船型資料、回歸公式和圖譜等，絕大多數都是通過船模試驗得來的。船模試驗是根據相似理論按一定縮尺比制作槳模和船模，并在試驗水池中進行試驗。預報實船的性能通常需要進行船模阻力試驗、自航試驗和螺旋槳敞水試驗，其牽涉面廣、影響因素多，如附加阻力、伴流的尺度效應、船型、螺旋槳敞水效率以及各船模試驗水池積累的經驗統計資料等。船模試驗是研究船舶快速性最普遍、最有效的方法。

1 船模試驗方法

船模試驗法主要分為船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗和船模自航試驗。

1.1 船模阻力試驗

船體周圍的流動情況相當復雜，船舶在靜水中運動時所受到的阻力主要有2種：1）由興波引起的壓力分布的改變所產生的興波阻力；2）由于水為黏性流體，在船體周圍形成邊界層，在船體表面產生的摩擦阻力；3）由于水的黏性引起船體前后壓力不平衡而產生的黏壓阻力。

船模阻力試驗主要研究船模在水中等速直線航行時所受的作用力，得到船模阻力與航速的變化關系，進一步分析確定各阻力成分，從而得到實船阻力數值，并進而得到實船有效功率。船模阻力試驗要在船模自航試驗前進行，為分析自航試驗結果、預報實船性能提供必要的數據。

1.2 螺旋槳敞水試驗

螺旋槳是船舶重要的推進裝置，螺旋槳敞水試驗主要用于研究和分析螺旋槳的水動力性能，通過測量螺旋槳的推力

T

和扭矩

Q

，可以得到螺旋槳在不同進速下的推力系數

k

、轉矩系數

k

和敞水效率

η

，并將結果繪制成螺旋槳敞水性征曲線。

螺旋槳敞水試驗也需要在船模自航試驗前進行，為分析預報實船各種推進效率提供螺旋槳性能數據。

1.2 船模自航試驗

船模自航試驗主要分析研究船模自航因子和各種推進效率成分。對于給定的船舶，根據船模的阻力性能、螺旋槳的敞水性征曲線及自航試驗結果即可進行實船性能預估，得出主機功率、轉速和船速三者之間的關系，進而給出實船在一定功率下的預估航速。

船模自航試驗是在船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗之后進行的。

2 船舶主要要素及船模試驗

2.1 船舶主要參數

以某主流船型為研究對象，該船主要要素如下：垂線間長

L

為294.4 m；水線間長

L

為284.63 m；型寬

B

為50 m；壓載工況下的艏吃水

T

為6.3 m，艉吃水

T

為9.85 m；排水體積

▽

為93 302.4 m；舭龍骨面積

S

為141.3 m；螺旋槳直徑

D

為9.6 m；槳葉數

Z

為4；盤面比

A

/

A

為0.4；螺距比

P

/

D

為0.765 6；主機功率

P

為12 710 kW；轉速

N

為62.3 r/min；軸系效率

η

為0.99。

2.2 船模試驗數據

按照實船與船模縮尺比41∶1制作船模并進行試驗，先后進行船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗、和船模自航試驗。

船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗和船模自航試驗的結果分別見表1～表3。

表1 船模阻力試驗

表2 螺旋槳敞水試驗

表3 船模自航試驗

3 1978 ITTC單槳船實船性能預估標準換算方法

基于船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗和船模自航試驗的結果，目前有很多方法可預估實船性能，例如Δ

C

法、Δ

w

法和(1+

x

)

K

法等。1978年十五屆國際船模拖曳水池會議提出確定了《1978ITTC單槳船實船性能的預估方法》，本文將按照此方法進行該船的實船性能預估。

3.1 實船阻力換算

首先進行實船阻力換算。船體形狀是相當復雜的三因次物體，船體阻力采用三因次方法進行換算。船模阻力三因次法將阻力分為黏性阻力和興波阻力兩部分，興波阻力與傅汝德數有關，黏性阻力與雷諾數和船體形狀密切相關。粘壓阻力系數

C

與摩擦阻力系數

C

之比是一常數

k

。在船模阻力試驗尺度效應換算的三因次分析方法中，計算的重點是如何確定船舶的形狀因子。

在實船中，該船船體采用安裝舭龍骨來減少船舶的橫搖，但船模試驗是在不安裝舭龍骨下進行的。

實船的總阻力系數

C

計算公式為

式中：

C

為船模總阻力系數，計算公式見式（2）；

C

為船模摩擦阻力系數，計算公式見式（3）；

C

為實船摩擦阻力系數，計算公式見式（4）；Δ

C

為粗糙度補貼系數，計算公式見式（5）；

C

為空氣阻力系數，計算公式見式（6）；（1

+k

）為形狀因子，可由最小二乘法確定，計算公式見式（7）；

S

為實船的濕表面積；

S

為舭龍骨面積。

式中：

R

為船模阻力；

ρ

為水的密度；

S

為船模濕表面積；

V

為船模速度。

式中：

Re

為船模雷諾數。

式中：

Re

為實船雷諾數。

式中：

k

為船體表面粗糙度，

k

=150×10m；

L

為水線長度。

式中：

A

為水線面以上船體部分在中橫剖面上的投影面積；

S

為水線面以下船體濕表面積。

式中：

y

為常數；

Fr

為傅汝德數。船模的興波阻力系數

C

計算公式為

實船的興波阻力系數

C

按照傅汝德假定和船模興波阻力系數

C

相等，即

C

=

C

。實船的總阻力

R

計算公式為

式中：

ρ

為海水密度；

S

為實船濕表面積；

V

為實船速度。實船有效功率

P

計算公式為

換算求得的實船總阻力

R

和有效功率

P

見表4。

表4 實船總阻力和有效功率

3.2 實槳敞水性征曲線

對于螺旋槳敞水試驗，槳模和實槳在進速系數相等條件下進行，而雷諾數超過臨界雷諾數。不同雷諾數對螺旋槳性能的影響稱為尺度作用。在實際應用中，尺度作用僅適用于超臨界區的情況。螺旋槳的尺度作用對扭矩影響較大，對推力影響較小。

實槳敞水效率

η

計算公式為

式中：

V

為進速；

K

為實槳推力系數；

K

為實槳轉矩系數。根據槳模敞水試驗結果進行尺度修正后求得實槳的性能。根據ITTC推薦的修正方法，在同一進速系數

J

下，實槳推力系數和槳模推力系數之間關系見式（12），實槳轉矩系數和槳模轉矩系數之間關系見式（13）。

式（12）和式（13）中：

K

為槳模推力系數；

K

為槳模轉矩系數；Δ

K

為尺度作用對推力系數的影響，表達式見式（14）；Δ

K

為尺度作用對轉矩系數的影響，表達式見式（15）。

式中：

Z

為螺旋槳葉數；

D

為螺旋槳直徑；

P

為距槳心0.75

R

處的螺距；

b

為距槳心0.75

R

處切面弦長；

t

為距槳心0.75

R

處切面厚度；

R

為距槳心0.75

R

處的雷諾數；

K

為實槳的表面粗糙度，一般取30×10m。

在螺旋槳模型的敞水試驗中，將模型試驗的敞水性征曲線修正至實槳的敞水性征曲線（見圖1）。

圖1 實槳敞水性征曲線

3.3 實船推進因子

船模自航試驗采用強制自航法，根據船模自航試驗得到的螺旋槳轉速

N

、推力

T

和轉矩

Q

數據，分析得到自航因子、各種推進效率成分及實船性能。不考慮尺度作用的情況下，實船的推力減額分數

t

計算公式為

式中：

t

為船模的推力減額分數；

T

為船模的推力；

R

為船模的阻力。實船的伴流分數

w

計算公式為

船模的伴流分數

w

計算公式為

式中：

J

為槳模進速系數；

N

為槳模轉速；

D

為槳模直徑。

3.4 實船推進效率

實船的船身效率

η

計算公式為

不考慮尺度作用的情況下，實船的相對旋轉效率

η

計算公式為

式中：

η

為船模的相對旋轉效率；

K

為敞水轉矩系數，根據推力系數

K

用等推力法查螺旋槳敞水性征曲線得到；

K

為船后螺旋槳轉矩系數，根據式（21）進行計算。

實槳的敞水效率

η

，可根據繪制實槳的

J

-(

K

/

J

) 曲線得到；實船的推進效率

η

和推進功率

P

計算公式分別為

式中：

P

為有效功率。不同

V

情況下實船推進因子、推進效率及航速預估情況見表6。

表6 實船推進因子、推進效率及航速預估

3.5 實船航速預估

由表6中的航速

V

和對應的功率

P

可繪制航速-功率曲線（見圖2）。該船主機功率

P

為12 710 kW，軸系功率

η

為0.99，螺旋槳收到功率

P

為12 583 kW，在該功率下對應的實船航速為15.91 kn。

圖2 實船航速預估

4 實船試航試驗

實船快速性能最終能否達到設計要求，必須經過實船試航試驗證。本船在建造完成后，進行實船試航試驗驗證。為保證實船試航試驗結果的準確性，需要選擇合適的試驗條件、合理的試驗方法及數據分析方法，得到實船在標準工況下的航速。實船試航試驗結果如表7所示，并與按1978ITTC法預估的結果做了比較。

表7 實船試航驗證

5 結論

本文對該船進行了船模阻力試驗、螺旋槳敞水試驗、船模自航試驗，并采用1978年ITTC單槳船實船性能預估方法進行了該船的實船性能預估，并通過實船試航試驗來進行最終驗證。通過結果對比，1978年ITTC法預估的結果與實船試航試驗結果相當接近，符合實際。