节能前置导管对波浪增阻和失速的影响

蒋永旭， 董国祥， 闫 磊， 何惠明， 马雪泉

（航运技术与安全国家重点实验室，上海200135）

0 引 言

随着节能减排的呼声越来越强烈以及EEDI（Energy Efficiency Design Index）执行日期的迫近，绿色船舶的概念已引起船东、船厂和船舶设计单位的重视。一方面，船舶设计者通过不断的优化船舶线型减阻增效；另一方面，他们也通过采用多种节能装置，来改善船体周围流场型态，提高船舶的推进效率，从而达到节能的目的。前置导管是被业界选用较多的水动力节能装置之一，是安装在螺旋桨前上方艉部的一对半圆导管。肥大船型船舶艉部流场比较复杂，易产生流动分离，通过前置导管的整流作用可改善流向螺旋桨桨盘面处不均匀、不稳定的水流状况，从而提高推进效率和改善螺旋桨空泡性能［1］。

根据经验，前置导管如果设计合理，影响船体阻力较小，有的前置导管还可能产生少量推力从而略微降低船体阻力。其主要机理是对螺旋桨流场环境产生影响，从而提高推进效率。目前对前置导管的水动力学效果主要是从静水中快速性方面考核，对耐波性影响方面尚鲜有研究。因此，针对前置导管对船舶在波浪中的阻力增加和失速系数f w的影响作了研究。

选取1艘8万t巴拿马型散货船，进行了前置导管快速性模型试验以及光体和带前置导管迎浪规则波试验。通过对比安装前置导管前后，船舶在波浪中阻力增加的变化情况，分析前置导管对船舶在波浪中的阻力增加、失速和失速系数f w的影响。

1 静水快速性试验主要参数

以8万t巴拿马型散货船为试验船型，分别进行了光体和安装前置导管的静水自航模型试验。模型试验的主要参数见表1，前置导管主要参数见表2，前置导管安装见图1。

表1 模型试验主要参数

表2 前置导管主要参数

2 静水快速性试验

通过静水阻力试验，根据三因次阻力分析方法，将模型试验数据换算到实船试验数据，通过自航试验，得到船舶的推进效率百分比（见表3）。

图1 前置导管安装示意图

表3 推进效率百分比

从表3可知，加前置导管后对船舶的推进效率提高了约2%，与先前对前置导管的理论研究结果相符。

3 迎浪规则波模型试验

3.1 迎浪规则波模型试验

8万t巴拿马散货船迎浪规则波模型试验内容见表4。

表4 模型试验内容

3.2 试验数据表达及谱分析

耐波性模型试验在上海船舶运输科学研究所拖曳水池中进行，该水池尺度为192 m×10 m×4.5 m，水池布置了单板式造波机，可模拟规则波和不规则波，波高范围3～30 c m。

按相似条件调整好船模重心和惯量，将船模与四自由度适航仪连接，船模以给定的航速迎浪前进，在不同频率的规则波作用下，产生纵向运动。四自由度适航仪，能测量船舶的阻力增加平均值、纵摇、垂荡、纵荡及横摇。

分别以3个不同航速进行迎浪规则波模型试验，试验中船模与拖车保持同速，得到船舶阻力增加的频率响应曲线及各运动（纵摇，垂荡）响应曲线。根据ITTC（Inter national Towing Tank Conf erence）双参数谱进行谱分析，得到各状态下不规则波中的阻力增加平均值。规则波的频率响应曲线中横坐标采用无量纲量化的无因次系数，表达形式如下：

1）阻力增加频率响应：

式（1）～式（3）中：RW为波浪中的总阻力；R0为静水中的阻力增加；ΔRW为波浪中的阻力增加；LPP为两柱间长；B为型宽；ζa为波幅值。

2）纵摇频率响应函数

式（4）中：θ为纵摇角幅值；k为规则波波数。

3）升沉频率响应函数：

式（5）中：za为升沉幅值。

4）船舶在不规则波中的阻力增值：

式（6）中：KAW（ωe）为船舶在波浪中阻力增值无因次量

式（7）中：S（ω）为ITTC双参数谱。

分别对光体和带前置导管的船舶进行迎浪规则波模型试验，并对其阻力增加、纵摇、垂荡的频率响应无因次系数进行比较，具体响应曲线对比见图2～图10。

图2 航速为14 kn，阻力增加频率响应曲线比较

图3 航速为15 kn，阻力增加频率响应曲线比较

图4 航速为16 kn，阻力增加频率响应曲线比较

图5 航速为14 kn，纵摇频率响应曲线比较

图6 航速为15 kn，纵摇频率响应曲线比较

图7 航速为16 kn，纵摇频率响应曲线比较

图8 航速为14 kn，垂荡频率响应曲线比较

图9 航速为15 kn，垂荡频率响应曲线比较

图10 航速为16 kn，垂荡频率响应曲线比较

从模型试验的响应对比图可知，带前置导管的船舶纵摇和垂荡响应在1.0λ／Lpp之后，小于光体的运动响应。而从阻力增加响应曲线可知，在0.5λ／Lpp之前，带前置导管的船舶阻力增加比光体的船舶阻力增加小。

3.3 谱分析结果

为了更直观的比较光体和带前置导管的效果，选取ITTC双参数谱进行谱分析方法，对船舶的阻力增加响应进行谱分析，得到各海况、不同速度下的阻力增加值（见表5）。

表5 不规则波阻力增加值

通过不规则波预报结果可知，前置导管对于波浪中的船舶起到一定的减阻效果，带前置导管的不规则波阻力增加值比光体的阻力增加值减小约4%，这一部分阻力增加值，加入到静水阻力值中，将会对船舶推进效率和失速系数产生一定影响。

3.4 失速系数

在EEDI计算方法中，日本提出了波浪中船舶失速系数f w的计算方法，并得到船舶业界认可。船舶失速系数f w计算公式如下：

式（8）中：Vw为波浪中的航速；Vref为静水中的航速。

为了便于比较结果，引入了失速差值百分比：

式（9）中：ΔVwithoutFSD为光体的船舶失速值；ΔVwithFSD为带导管的船舶失速值。

考虑到我国民用船舶在静水中试验资料丰富，运输船舶均进行了静水阻力试验、敞水试验、自航实验和波浪中阻力试验，船舶在波浪中的阻力增加可以通过耐波性模拟试验得到，然后通过谱分析可以求得船舶在某特定波况下的阻力增加平均值。为了便于比较，分别选取有义波高为2 m、3 m、4 m，对应的特征周期为6.1 s、6.7 s、7.3 s海况下的阻力增加值，运用阻力推力恒定法（Resistance Thr ust Identif y Method，RTI M）进行失速系数的计算。

该方法需进行静水中阻力试验、自航试验、螺旋桨敞水试验、波浪中增阻试验。假定船舶推进因子在波浪中与静水中一致，忽略波浪对推进因子的影响，通过RTI M［2］预报船舶收到功率增加和波浪失速。

不同功率下功率—失速曲线图见图11～图16，船舶的失速系数结果见表6。

表6 不同功率下失速和失速差值百分比

从表6在不同功率下船舶的失速及失速差值百分比可知，在功率为9 458.6 k W时，即船舶的设计航速为14.5 kn时，安装前置导管起到较好的节能效果，失速差值百分比约为15%。因此，对于当功率为14 591.5 k W，即船舶的设计航速为16 kn，失速差值百分比约为10%，不同的功率，船舶的失速差值百分比也有一定差异。因此，为选择航速提供了参考数据。

图11 功率—失速曲线图 （光体）

图12 功率—失速曲线图 （带导管）

图14 功率—失速曲线图 （带导管）

图15 功率—失速曲线图（光体）

图16 功率—失速曲线图 （带导管）

4 结 语

通过对8万t巴拿马型散货船进行了前置导管的静水快速性船模试验和耐波性模型试验，总结出了前置导管对该船型的快速性和耐波性的影响。通过安装前置导管，船舶的推进效率提高了约2%。从耐波性方面考虑，安装前置导管减小了船舶的运动响应，减小船舶在波浪中的阻力增加，在有义波高为3 m、特征周期为6.7 s时，减少的阻力增加值约4%，船舶失速差值减小约0.1 kn，失速差值百分比在10%以上；另外，在不同收到功率（即不同设计航速），安装前置导管的失速和失速系数也不同，因此，也可在选择船舶的海况和航速时，为其提供参考数据，达到真正节能减排的目的。

［1］ 邱天霞，高清廉.前置导管对螺旋桨性能改善的研究［J］.齐鲁渔业，1997（6）：36－39.

［2］ 蒋永旭，董国祥，高家镛.肥大型运输船在波浪中阻力增加及失速预报［J］.上海船舶运输科学研究所学报，2010，33（2）：104－109.