CN115795663A - 一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，包括：S1、引入规则波进行船舶拖曳试验获取船速、吃水、纵倾角、阻力和波长数据；S2、建立波浪条件下的第一反应色阶图，建立静水条件下的第二反应色阶图；S3、在船舶实际航行中判断当前海况，波浪条件计算当前海况下的有效波长，根据有效波长确定第一反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角；静水条件，确定第二反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角。本发明的有益效果：对两种航行情况的最佳纵倾角进行确认，指导船舶航行，进而实现船舶的节能减排；引入了波长船长比变量实现了对波浪作用海况下纵倾的预报，降低了最佳纵倾角的计算误差。

Description

一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法
技术领域
本发明涉及船舶纵倾调节技术领域，尤其涉及一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法。
背景技术
近年来全球温室效应日趋严重，二氧化碳是导致温室效应的主要气体。航运业二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物的排放量分别约占全球排放总量的3％、14％～15％、16％。在环境污染日益加剧、营运成本不断高涨的背景下，节能减排已成为航运业首要的战略措施，船舶纵倾优化是运营中的船舶最有效的节能减排方式。
纵倾优化是指在船舶中长距离航行前或航行中，把船舶吃水调整到最佳纵倾值，船舶以最佳纵倾航行时所受的阻力最小、油耗最少，从而达到节能减排的效果。通常是通过传统的经验公式或者靠驾驶人员的经验来寻找最佳纵倾值，然而这两种方式误差较大，难以保证优化结果的准确性。并且当前纵倾相关的一些研究主要建立在静水的情况下调节纵倾，很少考虑到波浪作用下的纵倾调节。
如中国专利CN110110351A主要是针对船舶在静水状态下分析和寻找船舶的最佳纵倾值来达到节能减阻的目的，没有涉及在波浪作用等多种海况下分析最佳纵倾的方法，在实际应用中具有局限性。
中国专利CN110979583A采用的是改变货物配重去调整纵倾的方式，没有涉及在较短航线的前提下，还可以通过调整压载水的方式实现纵倾优化，通过调整压载水的方式，可以进一步节省在调配货物压载时所耗费的人力与物力成本。
发明内容
有鉴于此，为了解决船舶航行时最佳纵倾角的确定问题，本发明的实施例提供了一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法。
本发明的实施例提供一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，包括：
S1、引入规则波进行船舶拖曳试验获取船速、吃水、纵倾角、阻力和波长数据；
S2、建立波浪条件下船舶航行阻力关于波长船长比、纵倾角、船速的第一反应色阶图，建立静水条件下船舶航行阻力关于船舶吃水、纵倾角、船速的第二反应色阶图；
S3、在船舶实际航行中判断当前海况，若当前海况为波浪条件，则计算当前海况下的有效波长，根据有效波长和船长比、及当前船速确定所述第一反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角；若当前海况为静水条件，则根据船舶当前吃水和当前船速确定所述第二反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角。
进一步地，所述步骤S3中当前海况为波浪条件下的有效波长的具体计算方法为：
查询获取当前位置的重力加速度g，通过实时卫星高度计和实时NDBC浮标数据查询得到有效波高HS和风速U10，通过卫星数据实时查询平均波峰周期Tc，根据平均周期经验公式可推得平均波浪周期为：
Figure BDA0003944188650000031
由JONSWAP谱数据，经过上跨零统计得到的经验值，通过最小平方法可以得到有效周期和平均周期的转化公式：
Ts＝1.486TA (2)
公式(2)中Ts为有效周期，对公式(2)代入弥散方程σ2＝gkth(kh)
Figure BDA0003944188650000032
Figure BDA0003944188650000033
Figure BDA0003944188650000034
由公式(5)计算出当前海况下的有效波长λ。
进一步地，所述第一反应色阶图为每一船速对应的航行阻力、波长船长比、纵倾角的反应色阶图；所述第二反应色阶图为每一船速对应的航行阻力、船舶吃水、纵倾角的反应色阶图。
进一步地，所述步骤S3中根据有效波长及当前船速确定所述第一反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角的方法具体为：根据当前船速选取对应的反应色阶图，然后在该反应色阶图上确定有效波长和船长比对应的直线，在该直线上找到阻力最小的点对应的纵倾角即为最佳纵倾角。
进一步地，所述步骤S1具体为：在船模拖曳水池中引入规则波，更换不同尺度的船模在船模拖曳水池中进行船舶拖曳试验，以获取不同尺度的船模不同船速对应的吃水、纵倾角、阻力和波长数据。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明的一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，将船舶实际航行情况分为波浪条件和静水条件，分别建立第一反应色阶图和第二反应色阶图对两种航行情况的最佳纵倾角进行确认，指导船舶航行，进而实现船舶的节能减排。
2、本发明的一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，在波浪条件下引入规则波建立第一反应色阶图，并且提出了船舶实际航行时有效波长的计算，引入了波长船长比变量实现了对波浪作用海况下纵倾的预报，降低了最佳纵倾角的计算误差。
附图说明
图1是本发明一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法的流程图；
图2是波浪条件下的有效波长的具体计算方法流程图；
图3是本实施例中船速为15km/h的反应色阶图；
图4是在反应色阶图上确定最佳纵倾角的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，考虑了船舶在航行过程中受波浪影响确定船舶实际航行过程中的最佳纵倾角，来调节船舶的航行状态，该实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法主要包括以下步骤S1～S3。
S1、通过船舶拖曳试验获取船速、吃水、纵倾角、阻力和波长数据。
具体的，在船模拖曳水池中引入规则波，在船模拖曳水池中进行船舶拖曳试验，更换不同尺度的船模进行试验，不断的改变船模船速、吃水、纵倾角、以及所受规则波，获取不同尺度的船模不同船速对应的吃水、纵倾角、阻力和波长数据。
S2、建立波浪条件下船舶航行阻力关于波长船长比、纵倾角、船速的第一反应色阶图，建立静水条件下船舶航行阻力关于船舶吃水、纵倾角、船速的第二反应色阶图。
所述第一反应色阶图的建立方法为：波浪条件下，由波长和船长计算出来波长船长比，再根据每一船速对应的航行阻力、波长船长比、纵倾角的构建一反应色阶图，这样每一船速获取一反应色阶图。如图3所述，本实施例中船速为7.716m/s的反应色阶图，图中颜色的深浅代表船舶所受阻力的大小，x轴对应纵倾角度，y轴对应波长与船长比，其中反应色阶图上的点所处区域的灰度与船舶航行所受阻力成正相关。
类似的，所述第二反应色阶图的建立方法为：静水条件下，根据每一船速对应的航行阻力、船舶吃水、纵倾角构建一反应色阶图，这样每一船速获取一反应色阶图。
S3、在船舶实际航行中判断当前海况，若当前海况为波浪条件，则计算当前海况下的有效波长，根据有效波长和船长比、及当前船速确定所述第一反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角；若当前海况为静水条件，则根据船舶当前吃水和当前船速确定所述第二反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角。
如图2所示，当前海况为波浪条件下的有效波长的具体计算方法为：
查询当前位置的经纬度的重力加速度表获取当前位置的重力加速度g，通过实时卫星高度计和实时NDBC浮标数据查询得到有效波高HS和风速U10，通过卫星数据实时查询平均波峰周期Tc，根据平均周期经验公式可推得平均波浪周期为：
Figure BDA0003944188650000061
由JONSWAP谱数据，经过上跨零统计得到的经验值，通过最小平方法可以得到有效周期和平均周期的转化公式：
Ts＝1.486TA (2)
公式(2)中Ts为有效周期；
由于集装箱船等船舶的航行属于全球尺度，研究的时候基本都是做深水处理，水深远大于波长，可通过代入弥散方程计算出海域的有效波长。故这里对公式(2)代入弥散方程σ2＝gkth(kh)
Figure BDA0003944188650000062
Figure BDA0003944188650000071
Figure BDA0003944188650000072
由公式(5)计算出当前海况下的有效波长λ，进而可计算出的当前海况下的有效波长和船长比。
然后根据当前船速选取对应的反应色阶图，然后在该反应色阶图上确定有效波长和船长比对应的直线，如图4中的横线，在该直线上找到阻力最小的点对应的纵倾角即为最佳纵倾角，如图4中箭头所指的纵倾角。
而在静水条件下，当前海况下的有效波长为0，不考虑波浪对船舶的影响，然后根据当前船速选取对应的反应色阶图，然后在该反应色阶图上确定当前吃水对应的直线，在该直线上找到阻力最小的点对应的纵倾角即为最佳纵倾角。
通过上述方法找到船舶航行最佳纵倾角后，应用在实船航行上，通过调整压载水的方式来改变船舶纵倾角度，船舶以该状态航行可以实现最高效的节能减排。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，其特征在于，包括：
S1、引入规则波进行船舶拖曳试验获取船速、吃水、纵倾角、阻力和波长数据；
S2、建立波浪条件下船舶航行阻力关于波长船长比、纵倾角、船速的第一反应色阶图，建立静水条件下船舶航行阻力关于船舶吃水、纵倾角、船速的第二反应色阶图；
S3、在船舶实际航行中判断当前海况，若当前海况为波浪条件，则计算当前海况下的有效波长，根据有效波长和船长比、及当前船速确定所述第一反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角；若当前海况为静水条件，则根据船舶当前吃水和当前船速确定所述第二反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角。
2.如权利要求1所述的一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，其特征在于，所述步骤S3中当前海况为波浪条件下的有效波长的具体计算方法为：
查询获取当前位置的重力加速度g，通过实时卫星高度计和实时NDBC浮标数据查询得到有效波高HS和风速U10，通过卫星数据实时查询平均波峰周期Tc，根据平均周期经验公式可推得平均波浪周期为：
Figure FDA0003944188640000011
由JONSWAP谱数据，经过上跨零统计得到的经验值，通过最小平方法可以得到有效周期和平均周期的转化公式：
Ts＝1.486TA (2)
公式(2)中Ts为有效周期，对公式(2)代入弥散方程σ2＝gkth(kh)
Figure FDA0003944188640000021
Figure FDA0003944188640000022
Figure FDA0003944188640000023
由公式(5)计算出当前海况下的有效波长λ。
3.如权利要求1所述的一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，其特征在于：所述第一反应色阶图为每一船速对应的航行阻力、波长船长比、纵倾角的反应色阶图；所述第二反应色阶图为每一船速对应的航行阻力、船舶吃水、纵倾角的反应色阶图。
4.如权利要求3所述的一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，其特征在于，所述步骤S3中根据有效波长及当前船速确定所述第一反应色阶图上阻力最小的点对应的纵倾角为最佳纵倾角的方法具体为：根据当前船速选取对应的反应色阶图，然后在该反应色阶图上确定有效波长和船长比对应的直线，在该直线上找到阻力最小的点对应的纵倾角即为最佳纵倾角。
5.如权利要求1所述的一种实际海况下的船舶最佳纵倾航行确定方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：在船模拖曳水池中引入规则波，更换不同尺度的船模在船模拖曳水池中进行船舶拖曳试验，以获取不同尺度的船模不同船速对应的吃水、纵倾角、阻力和波长数据。
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