新船型阻力預(yù)報修正方法的探討

新船型阻力預(yù)報修正方法的探討

正確預(yù)測航行障礙是船舶設(shè)計(jì)師的一項(xiàng)重要任務(wù)之一。在船舶設(shè)計(jì)的初級階段,由于船舶線型尚未確定,因而不能用船模試驗(yàn)或者CFD方法來確定阻力,只能用傳統(tǒng)的阻力計(jì)算方法來近似估算,以選擇合適主機(jī),保證船舶能夠到達(dá)設(shè)計(jì)航速,或者在主機(jī)確定的情況下,預(yù)估阻力以確定航速。這一過程需要將船舶的主尺度和主要船型參數(shù)相結(jié)合,考慮多參數(shù)變化的影響,預(yù)報多種情況下的船體阻力,再對各種方案進(jìn)行反復(fù)論證,最終得到滿足使用要求且阻力最小的船型。而在這一過程中,快速、準(zhǔn)確地預(yù)報各種不同參數(shù)下的船體阻力是一項(xiàng)極其關(guān)鍵,同時又是相等困難的工作。但隨著船舶阻力和推進(jìn)學(xué)科的發(fā)展及新船型的不斷出現(xiàn),傳統(tǒng)的阻力預(yù)報方法已經(jīng)不能準(zhǔn)確預(yù)報船舶阻力。特別是近些年肥大型船舶的出現(xiàn),很多新造船舶都超出了傳統(tǒng)圖譜和各種經(jīng)驗(yàn)公式的使用范圍。本文結(jié)合系列化試驗(yàn)阻力圖譜對部分肥大型船舶進(jìn)行阻力計(jì)算,并在分析計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差的基礎(chǔ)上運(yùn)用函數(shù)擬合的方法得到阻力修正因子與船型參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式,從而提出一種適用于肥大型船舶阻力的計(jì)算方法。1船型設(shè)計(jì)及船模試驗(yàn)研究傳統(tǒng)的船舶阻力計(jì)算方法根據(jù)弗勞德假定將船舶總阻力分為摩擦阻力和剩余阻力兩部分,其中剩余阻力用蘭坡凱勒圖譜計(jì)算,摩擦阻力按照桑海公式計(jì)算,而粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)根據(jù)荷蘭試驗(yàn)水池發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)船粗糙度和尺度效應(yīng)的補(bǔ)貼換算。根據(jù)項(xiàng)目合作單位提供的48000t油船、115000t油船,大連中遠(yuǎn)船務(wù)提供的35000t散貨船、82000t散貨船的船型設(shè)計(jì)及船模試驗(yàn)資料,包括船型設(shè)計(jì)參數(shù)(垂線間長、型寬、型深、設(shè)計(jì)吃水、排水量、方形系數(shù)、菱形系數(shù)、濕表面積、浮心縱向位置等),船模靜水阻力試驗(yàn)報告,運(yùn)用傳統(tǒng)方法對船舶的阻力進(jìn)行計(jì)算,然后將計(jì)算值與船模試驗(yàn)值進(jìn)行比較。見表1~5。由表2~5可見,傳統(tǒng)阻力計(jì)算值和試驗(yàn)值的誤差百分比一般在10%~50%之間,且隨著航速的增大,誤差會隨之增大,達(dá)不到工程上的應(yīng)用,有必要進(jìn)行計(jì)算方法的修正。2計(jì)算阻力的誤差分析2.1粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)及摩擦阻力1932年桑海運(yùn)用對數(shù)速度分布規(guī)律,并根據(jù)平板拖曳試驗(yàn)結(jié)果,給出摩擦阻力計(jì)算公式。1947年美國船模試驗(yàn)池會議將其作為計(jì)算摩擦阻力的標(biāo)準(zhǔn)公式,成為1947ATTC公式。式中:ρ———海水密度,kg/m3;Cf———摩擦阻力系數(shù),用桑海公式計(jì)算:其中:Re———雷諾數(shù)。我國以往取粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)ΔCf=0.0004,對于船長為100m左右的船舶,取ΔCf=0.0004所得結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)基本相符。但是,不同船長的船舶試航結(jié)果表明,ΔCf值將隨船長增加而趨減小,直至出現(xiàn)負(fù)值。荷蘭水池1973年發(fā)表了隨船長變化的ΔCf值,見表6.日本船舶研究所用桑海公式時的相關(guān)系數(shù)Ca值見表7?，F(xiàn)分別用不同的粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)計(jì)算幾艘典型船舶的摩擦阻力值,并求出摩擦阻力占總阻力的比例見表8~11。其中:Rt為實(shí)船總阻力;Rf1,Rf2分別為用荷蘭水池和日本船舶研究所計(jì)算粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)方法所得到的摩擦阻力。按照弗勞德假定的分類方法,兩種阻力成分在總阻力中所占的比重隨不同航速而不同,對于低速船(Fr<0.20)來說,摩擦阻力占總阻力比例可達(dá)到70%~80%。由表8~11可見,采用桑海公式計(jì)算摩擦阻力時,其占總阻力的比例為45%~65%;采用荷蘭水池的粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)方法計(jì)算摩擦阻力時,其占總阻力的比例為51%~75%,較之于日本船舶研究所結(jié)果更合理。2.2剩余阻力cr凱勒對1954年蘭坡發(fā)表的圖譜進(jìn)行修正和擴(kuò)充后給出了單螺旋槳民用船估算阻力的圖譜,該圖譜是根據(jù)荷蘭瓦根寧船模水池所做的107艘單螺旋槳大型船舶的模型試驗(yàn)結(jié)果分析整理而給出的。計(jì)算結(jié)果見表12~15。表中Cr為剩余阻力系數(shù);Cr×S/AM表示蘭坡凱勒圖譜中的縱坐標(biāo)值。考慮到目前的新造船型已經(jīng)在水動力方面進(jìn)行過優(yōu)化和提高,其主要是通過安裝球鼻艏和改變艉部型線改變了船舶的興波阻力,其對摩擦阻力影響不大,但是對剩余阻力有較大的影響,因此,引入與船型參數(shù)有關(guān)的剩余阻力修正因子α,對剩余阻力部分進(jìn)行修正。各工況下修正因子α的計(jì)算結(jié)果見表12~15。由表12~15的阻力計(jì)算結(jié)果可知,在設(shè)計(jì)吃水狀態(tài),剩余阻力修正因子α隨著船長L在0.50~0.63之間變化。圖1為修正后的阻力預(yù)報方法與對應(yīng)幾艘單槳肥大船舶水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算得到阻力值在航速11~17kn范圍內(nèi)的修正因子α,其均方差在10%之內(nèi)。3船舶模型池試驗(yàn)與修正因子函數(shù)的調(diào)整3.1水池ittc船模水池試驗(yàn)是研究船舶阻力最常用的方法,哈爾濱工程大學(xué)船模水池是國際拖曳水池(ITTC)成員,水池長180m、寬7m、水深3.5m。圖2是35000t散貨船船模試驗(yàn)示意圖,模型主尺度為垂線間長5.891m,船寬1.027m,設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下艏艉均為吃水0.3254m。3.2剩余阻力修正因子根據(jù)剩余阻力修正因子隨船長的分布的關(guān)系,對剩余阻力修正因子用MATLAP進(jìn)行函數(shù)關(guān)系式的擬合。設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)下剩余阻力修正因子α與船長的分布見表16。根據(jù)MATLAB對剩余阻力修正因子α散點(diǎn)圖做函數(shù)擬合,可得到設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)剩余阻力修正因子式中:L為船長;根據(jù)傳統(tǒng)船舶阻力計(jì)算方法得到剩余阻力值,與試驗(yàn)值對比發(fā)現(xiàn)誤差,剩余阻力修正因子α是在分析誤差產(chǎn)生的原因和試驗(yàn)值的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對剩余阻力部分的修正,修正后的剩余阻力加上摩擦阻力部分就可以得到船舶總阻力值。4散貨船剩余阻力修正為了進(jìn)一步驗(yàn)證船舶剩余阻力修正因子α的精度和計(jì)算方法的一般性,以由渤海船舶重工委托哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)75000t散貨船試驗(yàn)項(xiàng)目為例,其船型主要參數(shù)為用修正后的計(jì)算方法與試驗(yàn)值進(jìn)行對比(見表1),通過式(3)計(jì)算得出剩余阻力修正因子α=0.5230。由表17可見,修正前誤差為25%~30%,而修正后的阻力誤差在10%之內(nèi),誤差明顯減小,達(dá)到了一定的修正效果。5船舶阻力和功率的計(jì)算方法1)用傳統(tǒng)阻力計(jì)算方法計(jì)算新造肥大型船舶阻力值并與試驗(yàn)值進(jìn)行對比,可以看出傳統(tǒng)計(jì)算船舶阻力的方法誤差為20%~40%,已經(jīng)不適用于新造船舶的阻力計(jì)算。而引入剩余阻力修正因子α后,其計(jì)算船舶阻力值誤差在2%~10%之間,精度明顯提高,滿足工程上的應(yīng)用。2)通過對肥大型船舶阻力成分的分析,可以看出船舶摩擦阻力和剩余阻力在總阻力中所占的比重一般為50%~80%,對于低速肥大型船舶摩擦阻力所占比重可達(dá)70%~80%,由此表明用桑海公式和荷蘭試驗(yàn)水池粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)值,計(jì)算精度較高。3)本文方法除應(yīng)用于預(yù)報阻力和功率外,還可以用于主尺度論證,主機(jī)功率選擇,螺旋槳匹配等工作,能夠?yàn)樾略齑偷脑O(shè)計(jì)和舊船的快速性能評估提供依據(jù),為國際海事組織出臺的EEDI指數(shù)的衡量提供參考,為新船型的開發(fā)提供指導(dǎo)。4)通過對系列船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,本文計(jì)算船舶阻力方法使用方便,實(shí)用性強(qiáng)。在給定船舶主尺度后,可迅速給出該船的阻力值和功率值。由于樣本容量有限,缺少更多的船型參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù),對于規(guī)律研究有著一