CN110852619A - 一种在船舶性能的评估中对海浪阻力的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在船舶性能的评估中对海浪阻力的修正方法，针对现有技术中对海浪阻力的评估方法中以常规波为主要影响因素而造成的评估曲线与实际测量数据相符性不高、精确度较低、可靠性较低的问题，本发明提出了以短波作为海浪阻力的主要影响因素，计算短波的作用因素，对现有的海浪阻力评估方法进行修正，使得修正后的评估曲线与实际试验所得的数据相符性更高，利用该修正方法使得船舶性能的评估方法更精确、更可靠，能够在后续的船舶优化设计、船舶运营管理过程中发挥重要的作用。

Description

一种在船舶性能的评估中对海浪阻力的修正方法

技术领域

本发明涉及一种船舶性能的评估方法，尤其涉及一种在真实海况下的船舶性能的评估中对海浪阻力的修正方法。

背景技术

随着全球化和国际贸易的日益发展，货物在全球各个国家和地区之间的运输量越来越多，对于货物运输的需求也越来越大。而船舶运输依靠其运量大、运输距离远、成本低的优点，已经成为国际贸易运输中最主要的运输方式，在国际贸易的货物运输中占有非常重要的地位。

在远洋船中，通常采用化石燃料例如油或天然气作为引擎的能源。在大型海船中，存在有使船的发电机或主推机器旋转的其他发动机。燃料在港口或航行期间通过燃料车输送给海船。

在船舶用发动机中，柴油机具有热效率高、经济性好、启动容易、对各类船舶有很强的适应性等优点，因而目前商船主要选用柴油机作为发动机。在国际物流运输中，商用船舶主要使用柴油机作为动力来源，由于船舶运载量大、航行距离远，因而在运输过程中需要耗费大量的燃油，据统计，船用燃料油消耗占全球燃料油消耗总量的35％以上。燃油成本在船舶运营总成本中占据相当大的比重，并且随着原油价格的不断上升，燃油成本的压力越来越大。伴随着燃油的消耗，排放出大量的温室气体，这对全球气候造成了不利的影响。

因而，为了降低温室气体排放以及提高燃油消耗效率，改进船体外形以及动力系统成为了迫切的需求。正是由于上述原因，确认船体的性能是否达到设计性能指标变得越来越重要，这不仅是在平静海况下，还包括真实海况。对船体性能的评估结果可以反馈给后续新的船体设计。

而现有技术中的船舶性能评估方法或者只涉及在平静海况下的评估，或者在真实海况中测试，但是其对海浪的阻力评估太简单粗略，不够精确，从而造成现有的评估方法中对于海浪阻力的因素考虑并不精确和可靠。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种船舶性能的评估方法，其在真实海况的条件下对船舶的性能进行检测和评估，获取真实海况下海浪对船体阻力的精确的结果，使得能够进一步获取船舶在真实海况下的性能状况，从而解决了现有技术中存在的上述问题。

在船舶性能评估中，海浪作为一种波，其对船舶的影响因素通常包括辐射效应、衍射效应和反射效应，而这些都与船舶在水线以上的船形有关。随着远洋船舶尺寸的不断增大，在海洋波浪的频谱中，短波在海浪对船体航行产生的阻力的贡献比例已经占到主要部分。而现有技术中的船舶性能评估中对于海浪阻力的评估并未将短波产生的阻力作为主要考虑因素，这就造成了评估结果的不精确，从而对后续船舶的设计、控制以及相应的能耗管理等带来了不利的影响。

本发明的在船舶性能的评估中对海浪阻力的修正方法包括以下步骤：

第一步，获取船舶的航向和速度V，以及测试海况中真实海况的参数，包括浪高H、浪的波振幅L、浪的波周期t、角波数ω、原始波与船舶船头朝向的角度α、海浪中的成分波与船舶船头朝向的角度β。

第二步，以短波作为海浪阻力的主要因素，计算船舶在海浪中的速度系数C_sw。对于船舶来说，其在航行过程中受到的阻力，在不同速度的情况下，是不相同的。速度系数C_sw则表示不同航行速度V与原始波与船舶航向的角度α的关系。

第三步，计算短波环境下基于所述速度系数C_sw的方向谱函数E(H,T,β,ω,α)。

第四步，将方向谱函数作为修正用的变量参数，对由海浪对船舶产生的摇摆力和偏转力矩进行修正。

实施本发明，具有如下有益效果：将短波作用的海浪阻力作为海浪阻力的主要因素，通过短波的作用引入修正函数，该修正函数以方向谱函数作为主要作用因子，通过该方向谱函数的引入，对原来评估得到的摇摆力和摇摆力矩曲线进行修正，使得修正后的摇摆力和摇摆力矩曲线与实际情况更好地符合，得到更精确、更可靠的评估曲线，对后续的船体设计和修改，以及船体使用过程中的管理、控制、提高燃油效率和降低排放都有重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的船舶在航向中受海浪阻力的模型；

图2是本发明的修正后的摇摆力评估曲线与修正前的摇摆力评估曲线的比较图；

图3是本发明的修正后的摇摆力矩评估曲线与修正前的摇摆力矩评估曲线的比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

船舶在真实海况下航行时，不但受到海洋的静阻力，而且受到海浪的波动阻力，这些阻力作用在船舶性能的精确评估中必须考虑在内。而海浪阻力的计算除了水线下受到的静阻力外，还需要考虑辐射效应、衍射效应和反射效应的因素影响，这些效应都与船舶的水线以上的船形有关。

而由于海洋中波浪的不规则性，其具有多向的不规则波。因而，在海浪阻力的评估中，同样需要考虑不同方向的波分别对船舶的影响。

本发明的在船舶性能的评估中对海浪阻力的评估方法包括以下步骤：

第一步，获取船舶的航向和速度V，以及测试海况中真实海况的参数，包括浪高H、浪的波振幅L、浪的波周期t、角波数ω、原始波与船舶船头朝向的角度α、海浪中的成分波与船舶船头朝向的角度β。

第二步，以短波作为海浪阻力的主要因素，计算船舶在海浪中的速度系数C_sw。对于船舶来说，其在航行过程中受到的阻力，在不同速度的情况下，是不相同的。速度系数C_sw则表示不同航行速度V与原始波与船舶航向的角度α的关系。

第三步，计算短波环境下基于所述速度系数C_sw的方向谱函数E(H,T,β,ω,α)。

第四步，将方向谱函数作为修正用的变量参数，对由海浪对船舶产生的摇摆力和偏转力矩进行修正，而该修正利用以下公式：

其中，F_修正后为修正后的摇摆力，F_修正前为修正前采用现有技术的评估方式得到的摇摆力，T_修正后为修正后的摇摆力矩，T_修正前为修正前采用现有技术的评估方式得到的的摇摆力矩。

对于第二步中的速度系数C_sw，其可以通过船模试验得到，也可以通过如下公式得到：

C_sw(α)＝f(B(α))＝max[F_C,F_S]，其中B(α)是船形相对于水面及来波方向的影响系数；

F_C，F_S的取值取决于B(α＝0)的值：

1.当B(α＝0)<0.187或者B(α＝0)<(68-C_sw(α＝0))/310时，

F_S＝C_sw(α＝0)-310(B(α)-B(α＝0))，

F_C＝min(C_sw(α＝0),8)；

2.当B(α＝0)<0.187并且B(α＝0)<(68-C_sw(α＝0))/310时，

F_S＝68-310B(α)，

F_C＝C_sw(α＝0)；

其中C_sw(α＝0)即表示船舶航向与短波方向的夹角为0时，船舶的速度系数，这由船模试验获得。

在获得速度系数后，下一步计算方向谱函数，方向谱函数表示不同频率的波在不同方向上的能量分布状况。方向谱函数：

E(H,T,β,ω,α)＝S_f(ω)G(α)

其中S_f(ω)表示频谱函数，G(α)是角度分布函数。

而频谱函数：

而角度分布函数：

其中Γ为伽马函数。

根据上述内容，提出了针对背景技术中海浪阻力不准确不可靠的问题，提出了以短波为主的海浪阻力的评估修正方法。

见图2、3中，利用上述修正方法，对修正后的评估方法进行模拟，对比修正前后得到的摇摆力和摇摆力矩曲线，与实际测量得到的参数进行比较，能够明显看出修正后的评估曲线能够很好的符合实际测量得到的海浪阻力参数，修改后的评估曲线相比修改前的更精确、更可靠。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种在船舶性能的评估中对海浪阻力的修正方法，包括以下步骤：

第一步，获取船舶的航向和速度V，以及测试海况中真实海况的参数，包括浪高H、浪的波振幅L、浪的波周期t、角波数ω、原始波与船舶船头朝向的角度α、海浪中的成分波与船舶船头朝向的角度β；

第二步，以短波作为海浪阻力的主要因素，计算船舶在海浪中的速度系数C_sw，速度系数C_sw则表示不同航行速度V与原始波与船舶航向的角度α的关系；

第三步，计算短波环境下基于所述速度系数C_sw的方向谱函数E(H,T,β,ω,α)；

第四步，将方向谱函数作为修正用的变量参数，对由海浪对船舶产生的摇摆力和偏转力矩进行修正，而该修正利用以下公式：

其中，F_修正后为修正后的摇摆力，F_修正前为修正前采用现有技术的评估方法得到的摇摆力，T_修正后为修正后的摇摆力矩，T_修正前为修正前采用现有技术的评估方法得到的的摇摆力矩。

2.根据权利要求1所述的修正方法，其特征在于，对于第二步中的速度系数C_sw，其通过船模试验得到，或者通过如下公式得到：

C_sw(α)＝f(B(α))＝max[F_C,F_S]，其中B(α)是船形相对于水面及短波来波方向的影响系数；

F_C,F_S的取值取决于B(α＝0)的值：

当B(α＝0)<0.187或者B(α＝0)<(68-C_sw(α＝0))/310时，

F_S＝C_sw(α＝0)-310(B(α)-B(α＝0))，

F_C＝min(C_sw(α＝0),8)；

当B(α＝0)<0.187并且B(α＝0)<(68-C_sw(α＝0))/310时，

F_S＝68-310B(α)，

F_C＝C_sw(α＝0)；

其中C_sw(α＝0)即表示船舶航向与短波方向的夹角为0时，船舶的速度系数。

3.根据权利要求2所述的修正方法，其特征在于，速度系数C_sw(α＝0)由船模试验获得。

4.根据权利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述的方向谱函数表示不同频率的波在不同方向上的能量分布状况，方向谱函数为：

E(H,T,β,ω,α)＝Sf(ω)G(α)

其中S_f(ω)表示频谱函数，G(α)是角度分布函数。

5.根据权利要求4所述的修正方法，其特征在于，频谱函数为：

而角度分布函数为：

。

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