基于ISO 15016的實船航速修正方法

蔣永旭，柳一點，董澤祥，柳衛(wèi)東

（江南造船集團(tuán)責(zé)任有限公司，上海 201913）

基于ISO 15016的實船航速修正方法

蔣永旭，柳一點，董澤祥，柳衛(wèi)東

（江南造船集團(tuán)責(zé)任有限公司，上海 201913）

介紹了試航航速修正標(biāo)準(zhǔn)ISO 15016(2002)的基本原理，根據(jù)載荷系數(shù)的變化建立平衡方程式，最終修正得到深水、平靜海面、無風(fēng)、無浪、無流條件下的船舶航速和功率。通過 VBA編程，編制了一套考慮風(fēng)、潮流、波浪、操舵、水溫、航行狀態(tài)和淺水等影響因素在內(nèi)的船舶試航航速修正軟件，并以ISO提供的算例對軟件進(jìn)行了檢驗，證明了該軟件的可靠性。最后運用該軟件對某散貨船實船試航航速進(jìn)行修正，并與模型試驗預(yù)報結(jié)果進(jìn)行比較，獲得了相同的功率曲線變化趨勢。

ISO 15016；試航航速修正；航速功率曲線

0 引言

隨著國際造船形勢的日益嚴(yán)峻，國際燃油價格不斷上漲，船東對船舶的航速和功率提出更高的要求，而實船試航時船舶航速和功率更是檢驗船舶是否滿足合同要求的重要手段，也是船舶研發(fā)優(yōu)化過程中重要的環(huán)節(jié)之一。利用實船試航的數(shù)據(jù)，可以提高模型試驗相關(guān)分析的精度，檢驗船舶優(yōu)化后的最終成果。實船試航的實際海況很難在合同或標(biāo)準(zhǔn)要求的理想環(huán)境下進(jìn)行，因此需要對船舶試航航速進(jìn)行修正，把實船試航的航速結(jié)果修正到深水、無風(fēng)、無浪、無流環(huán)境下的航速結(jié)果，以檢驗船舶是否符合船廠和船東之間的合同要求。

本文通過系統(tǒng)研究 ISO 15016(2002)試航航速修正方法，采用NMRI推薦的波浪增阻計算方法，以EXCEL為平臺，通過VBA編寫程序，編制了一套完整的試航航速修正評估軟件，然后以 ISO 15016(2002)提供的算例進(jìn)行計算分析，驗證了該航速修正軟件的可靠性，最后以某散貨船實船試航測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了航速修正，并與模型試驗航速預(yù)報結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步驗證了該軟件的可靠性，同時也驗證了模型試驗預(yù)報結(jié)果的精度。

1 航速修正方法分類

一般地，基于實船試航數(shù)據(jù)進(jìn)行的航速修正方法，按其基本原理大致可分為兩類：一類建立在螺旋槳敞水性征曲線的基礎(chǔ)上，建立平衡方程式，通過外環(huán)境載荷系數(shù)的變化對航速進(jìn)行修正，如ISO 15016、Jinnaka、Kracht等；另一類以有效功率曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行修正，如SNAME、BSRA等。目前，我國對實船測試航速修正方法的研究尚淺，至今尚未形成一套統(tǒng)一的修正方法，而國際上也沒有形成一套全面、可靠的航速修正方法，相對而言，第一類修正方法考慮的因素全面，分析更為合理準(zhǔn)確。因此，本文采用ISO 15016(2002)推薦方法進(jìn)行試航航速修正。

2 ISO15016航速修正方法

2.1 試航航速修正流程適用范圍

航速修正流程圖如圖1所示。

根據(jù)試航航速修正流程圖，ISO 15016試航航速修正方法可分為以下六個步驟：1）實船試驗數(shù)據(jù)采集；2）波浪阻力修正；3）對空氣阻力影響進(jìn)行修正；4）淺水、溫度、鹽度、操舵等修正；5）水流影響進(jìn)行修正；6）獲得船舶在理想狀態(tài)下的功率/轉(zhuǎn)速和航速曲線。

其中，在實船試航過程時，對風(fēng)、海況及水深范圍有明確的規(guī)定，滿足以下條件的試航船舶可以直接用該方法進(jìn)行修正：

1）Lpp＞100m的船舶，風(fēng)級不高于蒲氏風(fēng)級6級；Lpp＜100m的船舶，風(fēng)級不高于蒲氏風(fēng)級5級。

2）Lpp＞100m的船舶，浪高H≤0.015Lpp或3m；Lpp＜100m的船舶，H≤1.5m。

3）試驗水深可從海圖中查出或用聲納測探出來，水深條件應(yīng)該滿足如下條件：

其中：VS為航速，m/s；ΔVS指由于淺水作用產(chǎn)生的航速損失，m/s。

圖1 航速修正流程圖

2.2 波浪修正方法

本文的波浪阻力增加方法采用了NMRI在IMO會議上提出的波浪阻力增加計算方法，將波浪的阻力增加ΔRwave分為兩部分：一部分是由于船舶運動導(dǎo)致的波浪增阻RAWM，另一部分是由于船舶繞射引起的波浪增阻RAWR。RAWM是基于1957年日本學(xué)者丸尾孟提出的勢流方法，將速度勢分為三部分，即入射勢、繞射勢和輻射勢，并用分布源近似地表示船型，利用船舶每個剖面的幾何特征以及計算得到船舶的運動，求出得到波浪中的阻力增加。

2.3 風(fēng)阻修正方法

由于風(fēng)作用引起的阻力增加可由式（2）計算得到：

其中，CAA(φWR)=K(φWR)?CAA0，CAA0為迎風(fēng)條件嚇得風(fēng)阻系數(shù)，K為風(fēng)阻的方向系數(shù)。本文的風(fēng)阻方向系數(shù)可從JTTC數(shù)據(jù)庫中直接讀取，進(jìn)而計算出風(fēng)阻。根據(jù)不同的船舶類型和試航狀態(tài)，可分為：1）油船滿載狀態(tài)；2）油船壓載狀態(tài)；3）散貨船標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；4）散貨船滿載狀態(tài)；5）散貨船輕壓載狀態(tài)；6）集裝箱。

3 航速修正程序開發(fā)與驗證

根據(jù)前面建立的航速修正流程圖，程序總共分為數(shù)據(jù)輸入、載荷計算、數(shù)據(jù)輸出三部分。該試航航速修正軟件以EXCEL為平臺，通過VBA編寫程序，包括五個表單（圖2）。

圖2 航速修正軟件數(shù)據(jù)輸入界面

其中，該軟件包括的五個表單，分別為：1）表單“Input”為計算輸入數(shù)據(jù)，包括實船試航時的數(shù)據(jù)；2）表單“Rao”為NMRI提供的阻力增加頻率響應(yīng)計算結(jié)果；3）表單“波浪增阻”為采用ITTC雙參數(shù)譜，對RAO進(jìn)行波譜分析，不規(guī)則波計算分析；4）表單“風(fēng)阻數(shù)據(jù)庫”為風(fēng)阻計算，其中風(fēng)阻的方向系數(shù)K由JTTC風(fēng)阻數(shù)據(jù)庫得到；5）表單“計算總表”為數(shù)據(jù)輸出部分，包括經(jīng)過程序修正后的航速、功率。本文以ISO 15016(2002)的算例，進(jìn)行了計算分析及驗證，計算結(jié)果如表1所示。

表1 計算結(jié)果對比及分析

比較分析表1中的各個對應(yīng)數(shù)據(jù)，可以看出，航速修正軟件的計算結(jié)果與ISO方法航速修正的結(jié)果偏差均在0.2%左右，證明該試航航速修正軟件是可靠的，可應(yīng)用于實船測試數(shù)據(jù)的航速修正。

4 某散貨船實船測試結(jié)果與航速修正

實船測試于2013年7月在黃海進(jìn)行，海況為3～4級，試驗水溫為24℃，試驗水深為80m，實船試航在壓載條件下進(jìn)行，船舶的主要參數(shù)及實船試航采集數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試航船舶主要參數(shù)

表3 實船試航測量數(shù)據(jù)和修正結(jié)果

實船試航過程中，主機(jī)在4種負(fù)荷條件下測量螺旋槳的轉(zhuǎn)速、船舶航速和功率，每個負(fù)荷工況測一個來回，其中90%主機(jī)負(fù)荷測兩個來回，實船試航測量數(shù)據(jù)如表3所示。

運用該航速修正軟件對某散貨船的實船測試結(jié)果進(jìn)行航速修正，為了驗證模型試驗預(yù)報結(jié)果的精度，將軟件航速修正結(jié)果與船模試驗預(yù)報的實船結(jié)果進(jìn)行比對，為了能把實船測試修正結(jié)果和模型試驗預(yù)報結(jié)果進(jìn)行比較，需要把實船測試過程中的環(huán)境條件修正到模型試驗預(yù)報相應(yīng)的環(huán)境下進(jìn)行比較，表4給出了兩種不同條件下的環(huán)境影響因素。

為了更方便的比較船模試驗結(jié)果，利用航速修正軟件對上面的各個影響因素進(jìn)行修正，其中壓載和滿載吃水功率預(yù)報值如表5所示。

表4 模型預(yù)報和實船試航環(huán)境條件

表5 船模試驗壓載和滿載吃水功率預(yù)報值

首先，將表3的實船試航修正航速及功率值進(jìn)行最小二乘法進(jìn)行擬合，再分別通過表5中模型試驗航速功率預(yù)報值進(jìn)行拉格朗日插值，最終得到該船在75%MCR時的滿載吃水的航速為14.54kn，如圖3所示。

圖3 航速功率比較圖

從圖3的航速功率曲線可以看出，在相同功率條件下，實船試航測量得到的值比通過軟件修正之后航速小，而模型試驗預(yù)報的航速值均比實船試航的結(jié)果值要小，并隨著航速的增加，偏差也越大。說明在試航過程中，隨著航速增大，環(huán)境外載荷也越來越復(fù)雜，修正過程中不可能把全部的影響因素考慮進(jìn)去，因此，存在這種偏差是合理的。另外，也說明模型試驗中的航速預(yù)報值趨于保守。

5 結(jié)論

本文主要針對 ISO 15016(2002)試航航速修正方法編制了實船試航航速修正軟件，將該軟件應(yīng)用于某散貨船的實船測試航速修正中，獲得一致的變化趨勢，進(jìn)一步驗證了該修正軟件的可靠性。通過對實船測量數(shù)據(jù)的修正，一方面可以對船模試驗預(yù)報結(jié)果的精度進(jìn)行分析，另一方面也可以更準(zhǔn)確的評估該船舶的實船性能，從而更好滿足船東的要求。

[1] 夏利清. 實船測試航速修正方法研究[D]. 上海: 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院, 2006.

[2] ISO 15016(2002), Ships and marine technology-Guidelines for the assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data[S]. 2002.

Study of Correction Method of Ship Speed in Trial Based on ISO 15016

Jiang Yong-xu, Liu Yi-dian, Dong Zhe-xiang, Liu Wei-dong
(Jiangnan Shipyard (group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

In this paper, the guidelines for the assessment of speed and power performance are studied by analyzing the speed trial data, the correction method is considering the effect of the wind, current, wave,steering, drifting, water temperature and salt content, which is based on the BS ISO 15016(2002) in ship and marine technology, the correction method is developed by the VBA programming on the EXCEL,establishing the equilibrium equation by load variation coefficient by the environmental load change, getting the speed and power value on the deep water, clam water, no wind, no wave, no current condition. Through the analysis of the example in ISO 15016 for speed correction firstly, it is proved that this program is reliable.Then take trial speed data of a bulk carrier for correction, at last it has a good agreement, comparing with the model test prediction result and has the same variation trend in the power-speed curve.

ISO 15016; speed correction; power-speed curve

U662.1

A

1005-7560 (2014) 04-0001-04

蔣永旭（1984-），男，工程師，研究方向：船舶水動力性能。