CN116882830B - 一种适用于实船能效跟踪评估的航速功率分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于实船能效跟踪评估的全海况航速功率分析方法，包括以下步骤:(1)对实船航行数据进行满载工况下的数据筛选，获取实船对水速度Vs；(2)进行阻力的百分比差异的温度修正；(3)进行风阻功率修正ΔPwind；(4)基于ITTC半经验公式建立目标船舶不同浪向的波浪增阻响应图谱；(5)针对目标船舶的波浪增阻响应图谱进行曲线修正；(6)获得船舶在不同海况条件下的推进效率折损图谱；(7)基于以上(5)和(6)的成果获得船舶在该海况条件下的功率增加ΔPwave，获得波浪修正后的功率；(8)基于(1)‑(7)的步骤，最终获得了合理的实船航行中的航速功率数据分布，通过数据回归拟合形成实船航速功率曲线，用于实船能效跟踪评估。
Description
技术领域
本发明涉及船舶航行领域，具体的涉及一种适用于实舶能效跟踪评估的航速功率预报方法。
背景技术
随着IMO(国际海事组织)各项能效法规的不断推进，船舶航行能效的跟踪与优化变得更加重要，要想实现船舶航行能效跟踪以及探索优化方法，需要具备实船能效跟踪的能效评估分析方法，其中实海域环境中的航速功率分析方法是关键要素之一。
实船航速功率分析需要考虑风浪流海洋环境因素，其中波浪的影响比较复杂，浪向、频率周期、航行速度都对船舶航行性能形成复杂的影响。个别船舶在设计阶段会针对某些航行条件进行模型试验测试来预报分析实船航速功率，主要针对静水、迎风，迎浪等特定的设计条件，要想对全海况条件进行模型试验成本太大。
现阶段对实船航速功率分析方法的应用主要集中在实船试航的航速功率换算中。荷兰MARIN提出了STAIMO方法，集合了实船试航航速功率中的风、浪、温度等功率修正方法，流的影响采用往返航行方式进行中和处理。但STAIMO方法仅适用于实船试航条件，即：迎浪，低海况条件。实船能效跟踪评估需要解决实船数据干扰因素多，风浪环境复杂，大小风浪、全浪向等预报要求，目前没有成熟的方法用于实船能效跟踪评估的航速功率分析。
发明内容
为了解决现有技术的以上问题，本发明以大型散货船为研究对象，提供一种适用于实船能效跟踪评估的全海况航速功率分析方法。
本发明的技术方案如下：
一种适用于实船能效跟踪评估的全海况航速功率分析方法，其特征在于包括以下步骤:
(1)对实船航行数据进行满载工况下的数据筛选，航速考虑流速影响，获取实船对水速度Vs；
(2)根据船舶航行中的实测海水温度进行阻力的百分比差异的温度修正；
(3)根据风参数、船型资料或母型船、以及风阻经验公式进行风阻功率修正ΔPwind；
(4)根据船型资料或母型船、波浪参数、航行参数，基于ITTC半经验公式建立目标船舶不同浪向的波浪增阻响应图谱；
(5)利用船型波浪试验数据库，针对目标船舶的波浪增阻响应图谱进行曲线修正，提高预报精度；
(6)根据相近船型数据库资料、针对波浪参数进行推进因子和推力损失的数据分析，获得船舶在不同海况条件下的推进效率折损图谱；
(7)基于以上(5)和(6)的成果，针对实船航行海况下的波高、周期进行双参数波浪谱的预报分析，获得船舶在该海况条件下的功率增加ΔPwave，获得波浪修正后的功率；
(8)基于(1)-(7)的步骤方法，最终获得了合理的实船航行中的航速功率数据分布，通过数据回归拟合形成实船航速功率曲线，用于实船能效跟踪评估。
进一步的，步骤(1)中对一年内的航行数据进行了筛选，筛选的数据中波浪高度分布在0m-3.5m，波浪周期分布在0s-11s，浪向为0°-360°，风速为0kn-30kn，风向为0°-360°。
进一步的，步骤(2)中对实时海水温度修正到统一15°，
其中，RAS为水温差异导致的阻力差异值，RT0为参考水温和水密度的总阻力，ρS为实际水温和含盐量下的水密度，ρS0为参考水温和含盐量的水密度，RF为实际水温和水密度的摩擦阻力，CF为实际水温和水密度的摩擦阻力系数，CF0为参考水温和水密度的摩擦阻力系数。
进一步优选的，步骤(2)中通过海军系数法，同时进行吃水修正。
进一步的，步骤(3)中所述风阻经验公式为
其中，RAA为由于相对风引起的阻力增加，AXV为水线以上的横向投影面积，包括上层建筑，CAA为风阻系数；CAA(0)为指逆风中的风阻系数，VG为测量的船舶在地面上的速度，VWRref为参考高度处的相对风速，ψWRref为参考高度处的相对风向，ρA为空气的质量密度。
进一步的，步骤(4)中，所述半经验公式为：
当E1≤α≤π
当π-E1≤α≤π当0≤α≤π-E2
当0≤α≤E2
其中：
当
a1＝横浪和随浪数值间插值，当
a1＝f(U,Vg)，当α＝0
a2＝0.0072+0.1676Fr,当Fr＜0.12
a2＝Fr1.5exp(-3.5Fr),当Fr≥0.12
b1＝11.0,当
b1＝-8.5,当
当
当
f(α)＝-cosα，当π-E1≤α≤π
f(α)＝0，当α＜π-E1
ω0是入射波频率
是吃水系数
当λ/Lpp≤2.5
当λ/Lpp＞2.5
当第一和第二段时：
T*＝Tmax
当第三和第四阶段时：
当CB≤0.75
当CB＞0.75
Kaw是波浪增阻系数，RAW是波浪增阻，RAWM是辐射效应增加阻力，RAWR是衍射效应增加阻力，α是入射波角度，ζA是波幅，LE是首部0.99倍船宽水线至船首长度，LR是尾部0.99倍船宽水线至船尾长度，Lpp是船舶垂线间长，B是船宽，CB是方形系数，Ta是艉吃水，Tf是艏吃水，Tmax是最大吃水，Fr是弗汝德数，U是船速，kyy是纵向惯性矩。
进一步的，步骤(6)中，相近母型船采用了规则波试验方法，开展不同波浪频率、不同波高下的自航推进试验测量，测量数据包括航速、船舶阻力、螺旋桨转速、螺旋桨推力、螺旋桨扭矩、获得推力减额和推进效率分析数据。
进一步的，步骤(7)中，首先基于波浪增阻响应图谱，根据实船波浪参数按照ITTC波谱进行波浪增阻预报，从而可获得波浪中的功率增加ΔPwave，然后根据推进效率折减系数图谱进行各数据点的插值功率修正，得到最终的修正功率Psc。
本发明的有益技术效果如下：
目前常用的实船航速功率分析方法只适用于试航设计条件的预报分析，其中海况条件限制要求高，航行方式有具体要求。暂时缺乏全海况条件下的航速功率分析方法用于实船能效跟踪与评估。本发明考虑了实船航行中水温的变化，流的影响，波浪要素变化，航速的变化等，满足船舶在航行过程中遇到的各种环境下的航速功率分析需求，最终能够有效地实现实船能效跟踪。在航速功率分析方法的建立中，以目标船舶静水试验数据结果为基础数据，以船型数据库回归分析数据为参考，建立更全面的用于波浪中收到功率增加分析的图谱，满足各浪向，浪高，周期的功率预报。
其中解决的技术难点包含：
a)以半经验波浪增阻公式方法换算结果，数据库相近船型波浪中自航试验数据为数据基础，建立了适用于全海况的方便快捷的波浪增阻与推力损失预报方法，弥补了模型试验复杂、成本高。
b)参考波浪增阻数据库统计结果对短波段响应曲线进行优化修正，解决了半经验公式短波段增阻预报异常的问题，提升了波浪增阻精度。
c)通过船型数据库不同海浪环境船舶运动、推进因子数据分析，以波高、周期为参数变量研究了船舶在波浪中的推进效率变化，建立推力折减系数修正图谱，填补了波浪中螺旋桨推力损失预报方法的技术空缺。
附图说明
图1为实船监测数据航速功率分布图；
图2为航速功率分布图(温度修正结果)；
图3为图3航速功率分布图(风阻修正结果)；
图4为全浪向波浪增阻响应图谱；
图5为全浪向波浪增阻响应优化图谱；
图6为推进效率折减系数图谱；
图7为航速功率分布图(波浪增阻修正结果)；
图8为航速功率分布图(波浪增阻修正优化结果)；
图9为航速功率分布图(推进效率修正后优化结果)；
图10为流程说明图。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不是对本发明技术方案的限定，所有基于本发明所作出的变化或等同替换，均应属于本发明的保护范围。
实施例
本发明的全海况条件下的航速功率预报方法的定义是考虑风浪流等因素，同时适用于全浪向、较大的0m-6m波高范围的船舶航速功率预报。该方案以实船航行监测数据为基础，个别要素参考船舶静水模型试验结果，对风、浪进行增阻修正，利用推力损失系数对螺旋桨进行推进效率折减修正获得任意特定海况条件下的航速功率。
具体的，本实施例包括以下步骤，如图10所示：
(1)对实船航行数据进行满载工况下的数据筛选，航速考虑流速影响，Vs为对水速度。
本案例对一年内的航行数据进行了筛选，筛选的条件以航行状态稳定为主。最终筛选的数据中波浪高度分布在0m-3.5m，波浪周期分布在0s-11s，浪向为0°-360°。风速为0kn-30kn，风向为0°-360°。如图1所示，由于海况环境多变的影响，实船航行中的航速功率的分布是非常离散无规律地。若要监测评估实船能效状态，需要排除干扰因素，在同一标准下进行评估，因此根据(2)-(6)进行一系列的环境要素修正。
(2)根据船舶航行中的实测海水温度进行温度修正；
阻力的百分比差异也即推进功率的差异的温度修正，所有数据分析均预报至15℃的海水温度(密度1026kg/m3)；
其中，RAS为水温差异导致的阻力差异值，RT0为参考水温和水密度的总阻力，ρS为实际水温和含盐量下的水密度，ρS0为参考水温和含盐量的水密度，RF为实际水温和水密度的摩擦阻力，CF为实际水温和水密度的摩擦阻力系数，CF0为参考水温和水密度的摩擦阻力系数。
也可以通过海军系数法同时进行一定范围的吃水修正。
(3)根据风参数、船型资料或母型船、以及风阻经验公式进行风阻功率修正ΔPwind；
此处按照船舶航行方向，船舶航速、环境风速和风向进行遭遇风速和风向的换算，根据经验公式获得风阻，得到功率修正值ΔPwind。
其中，RAA为由于相对风引起的阻力增加，AXV为水线以上的横向投影面积，包括上层建筑，CAA为风阻系数；CAA(0)为指逆风中的风阻系数，VG为测量的船舶在地面上的速度，VWRref为参考高度处的相对风速，ψWRref为参考高度处的相对风向，ρA为空气的质量密度。
修正后的分布图如图3所示。
(4)根据船型资料或母型船、波浪参数、航行参数，基于半经验公式建立目标船舶不同浪向的波浪增阻响应图谱。图谱修正主要针对短波段，该波段也是影响较大的区域之一。如图4。所述半经验公式为：
当E1≤α≤π
当π-E1≤α≤π当0≤α≤π-E2
当0≤α≤E2
其中：
当a1＝横浪和随浪数值间插值，当
a1＝f(U,Vg)，当α＝0
a2＝0.0072+0.1676Fr,当Fr＜0.12
a2＝Fr1.5exp(-3.5Fr),当Fr≥0.12
b1＝11.0,当
b1＝-8.5,当
当
当
f(α)＝-cosα，当π-E1≤α≤π
f(α)＝0，当α＜π-E1
ω0是入射波频率
是吃水系数
当λ/Lpp≤2.5
当λ/Lpp＞2.5
当第一和第二段时：
T*＝Tmax
当第三和第四阶段时：
当CB≤0.75
当CB＞0.75
Kaw是波浪增阻系数，RAW是波浪增阻，RAWM是辐射效应增加阻力，RAWR是衍射效应增加阻力，α是入射波角度，ζA是波幅，LE是首部0.99倍船宽水线至船首长度，LR是尾部0.99倍船宽水线至船尾长度，Lpp是船舶垂线间长，B是船宽，CB是方形系数，Ta是艉吃水，Tf是艏吃水，Tmax是最大吃水，Fr是弗汝德数，U是船速，kyy是纵向惯性矩。
该经验公式系统地总结了关于船舶在波浪中附加阻力的各种实验研究，并建立了一个船舶信息数据库，包括130艘不同类型和尺寸的船舶的3000多个数据点，被用来制定一种经验方法来估算波浪中的附加阻力(以及相关的附加动力)。为了更准确地考虑船舶的吃水效应、船体形状影响等因素。对于短波,引入船舶水线的入口长度LE和运行长度LR两个参数。对于长波，引入了CB、B/T、kyy和纵倾等船型参数。并将该公式直接扩展到横浪,而对于船尾斜波，在横波和随波之间应用了线性插值，形成了任意航向的波浪中运行时的附加阻力的半经验公式。
(5)利用船型波浪试验数据库统计分析，针对目标船舶的波浪增阻响应图谱进行曲线修正，提高预报精度，见图5。
该波浪试验数据库集合了三大主力船型散货船、油船、集装箱的各类典型船型，试验采用规则波试验方法，开展不同波浪频率下的波浪增阻测量，波浪试验数据工况涵盖不同吃水、不同浪向、不同航速。
以浪向180°迎浪修正函数为例，修正后的短波段每个0.2-0.7范围内的波长船长比对应的波浪增阻二次函数形式为：y＝Ax2+Bx+C
其中A＝1.1866-2.4159*V6+1.892*V10，B＝-0.63+1.4443*V8-1.5903*V10
V6，V8，V10是波长船长比分别为0.6，0.8，1.0时，采用步骤(4)中半经验公式计算获得的波浪增阻系数Kaw值。
(6)根据相近船型数据库资料、针对波浪参数进行推进因子和推力损失的数据分析，获得船舶在不同海况条件下的推进效率折损图谱。如图6所示。相近母型船采用了规则波试验方法，开展不同波浪频率、不同波高下的自航推进试验测量，测量数据包括航速、船舶阻力、螺旋桨转速、螺旋桨推力、螺旋桨扭矩、获得推力减额和推进效率分析数据。
(7)基于以上(4)-(6)的成果，针对实船航行海况下的波高、周期进行双参数波浪谱的预报分析，获得船舶在该海况条件下的功率增加ΔPwave，获得波浪修正后的功率。
若只基于(4)波浪增阻响应图谱，根据实船波浪参数按照ITTC波谱进行波浪增阻预报，可获得波浪中的功率增加ΔPwave，航速功率分布图如图7。经过波浪增阻的修正，分布点的曲线规律已基本形成，但分布点的离散度仍然较大。
采用步骤(5)优化后的波浪增阻图谱预报分析后，可明显看出航速数据点的分布带变窄，离散度改善明显，10.5kn-13kn范围变化最明显。如图7-图8：
在图6基础上，根据步骤(6)中的推进效率折减系数图谱进行各数据点的插值功率修正，得到最终的修正功率Psc，如图9所示，离散度进一步降低，R2也提升至0.9004。
(8)基于(1)-(7)的步骤方法，最终获得了合理的实船航行中的航速功率数据分布，通过数据回归拟合形成实船航速功率曲线，用于实船能效跟踪评估。完整方法过程见图10。
Claims (8)
1.一种适用于实船能效跟踪评估的全海况航速功率分析方法，其特征在于包括以下步骤:
(1)对实船航行数据进行满载工况下的数据筛选，航速考虑流速影响，获取实船对水速度Vs；
(2)根据船舶航行中的实测海水温度进行阻力的百分比差异的温度修正；
(3)根据风参数、船型资料或母型船、以及风阻经验公式进行风阻功率修正ΔPwind；
(4)根据船型资料或母型船、波浪参数、航行参数，基于ITTC半经验公式建立目标船舶不同浪向的波浪增阻响应图谱；
(5)利用船型波浪试验数据库，针对目标船舶的波浪增阻响应图谱进行曲线修正，提高预报精度；
(6)根据相近船型数据库资料、针对波浪参数进行推进因子和推力损失的数据分析，获得船舶在不同海况条件下的推进效率折损图谱；
(7)基于以上(5)和(6)的成果，针对实船航行海况下的波高、周期进行双参数波浪谱的预报分析，获得船舶在该海况条件下的功率增加ΔPwave，获得波浪修正后的功率；
(8)基于(1)-(7)的步骤方法，最终获得了合理的实船航行中的航速功率数据分布，通过数据回归拟合形成实船航速功率曲线，用于实船能效跟踪评估。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中对一年内的航行数据进行了筛选，筛选的数据中波浪高度分布在0m-3.5m，波浪周期分布在0s-11s，浪向为0°-360°，风速为0kn-30kn，风向为0°-360°。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中对实时海水温度修正到统一15°，
其中，RAS为水温差异导致的阻力差异值，RT0为参考水温和水密度的总阻力，ρS为实际水温和含盐量下的水密度，ρS0为参考水温和含盐量的水密度，RF为实际水温和水密度的摩擦阻力，CF为实际水温和水密度的摩擦阻力系数，CF0为参考水温和水密度的摩擦阻力系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中通过海军系数法，同时进行吃水修正。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中所述风阻经验公式为
其中，RAA为由于相对风引起的阻力增加，AXV为水线以上的横向投影面积，包括上层建筑，CAA为风阻系数；CAA(0)为指逆风中的风阻系数，VG为测量的船舶在地面上的速度，VWRref为参考高度处的相对风速，ψWRref为参考高度处的相对风向，ρA为空气的质量密度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)中，所述半经验公式为：
当E1≤α≤π
当π-E1≤α≤π当0≤α≤π-E2
当0≤α≤E2
其中：
当
a1＝横浪和随浪数值间插值，当
a1＝f(U,Vg)，当α＝0
a2＝0.0072+0.1676Fr,当Fr＜0.12
a2＝Fr1.5 exp(-3.5Fr),当Fr≥0.12
b1＝11.0,当
b1＝-8.5,当
当
当
f(α)＝-cosα，当π-E1≤α≤π
f(α)＝0，当α＜π-E1
ω0是入射波频率
是吃水系数
当λ/Lpp≤2.5
当λ/Lpp＞2.5
当第一和第二段时：
T*＝Tmax
当第三和第四阶段时：
当CB≤0.75
当CB＞0.75
Kaw是波浪增阻系数，RAW是波浪增阻，RAWM是辐射效应增加阻力，RAWR是衍射效应增加阻力，α是入射波角度，ζA是波幅，LE是首部0.99倍船宽水线至船首长度，LR是尾部0.99倍船宽水线至船尾长度，Lpp是船舶垂线间长，B是船宽，CB是方形系数，Ta是艉吃水，Tf是艏吃水，Tmax是最大吃水，Fr是弗汝德数，U是船速，kyy是纵向惯性矩。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(6)中，相近母型船采用了规则波试验方法，开展不同波浪频率、不同波高下的自航推进试验测量，测量数据包括航速、船舶阻力、螺旋桨转速、螺旋桨推力、螺旋桨扭矩、获得推力减额和推进效率分析数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(7)中，首先基于波浪增阻响应图谱，根据实船波浪参数按照ITTC波谱进行波浪增阻预报，从而可获得波浪中的功率增加ΔPwave，然后根据推进效率折减系数图谱进行各数据点的插值功率修正，得到最终的修正功率Psc。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |