内河船舶航速预报及能效评估软件开发

陈 钰 陈庆任 赵丙乾（中国船级社武汉规范研究所 武汉430022）



内河船舶航速预报及能效评估软件开发

陈 钰 陈庆任 赵丙乾
（中国船级社武汉规范研究所 武汉430022）

［摘 要］随着船舶行业的不断发展和能效指数概念的推行，迫切需要研发一种计算软件来快速评估船舶能效。文中采用修正的艾亚法进行船舶有效功率估算、基于图谱法进行螺旋桨的设计及推进性能计算、进行船舶航速预报及能效评估，并基于C++开发平台，开发了内河船舶航速预报及能效评估软件。结果表明，该软件使用方便、运算快速，具有良好的实用性。

［关键词］内河船舶；航速；能效；软件

陈庆任（1984-），男，博士，工程师，研究方向：船舶快速性及船舶CFD研究。

赵丙乾（1985-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶快速性及船舶CFD研究。

引 言

IMO在2011年7月召开的MEPC62会议上以MEPC.203（62）决议通过MARPOL附则VI修正案，引入船舶能效规定，使船舶的能效设计指数（EEDI）相关要求成为强制性，该修正案已于2013年1月1日生效实施［1-2］。

对内河船舶而言，2012年7月1日起生效的《内河运输船舶标准船型指标体系》对燃料消耗和CO2排放提出了强制性要求［3］。2014年12月24日公布的《内河运输船舶标准化管理规定》对新船准入提出了指标体系强制性指标要求［4］。

此后的船舶初始设计阶段，船舶能效评估是不可避免的一步［5］。与海船相比，内河航运附加值低、内河船舶设计费用少，在设计阶段进行船模水池试验的船舶很少，在设计阶段如何快速准确地进行航速预报是船舶能效评估的关键。本文采用修正的艾亚法进行船舶阻力估算、基于图谱法进行螺旋桨的设计及推进性能计算，进而实现船舶航速的预报与能效评估，开发了内河船舶航速预报及能效评估软件。

1 软件概述

Visual C++是微软公司推出的面向对象的可视化集成编程系统。它具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点，通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数据库接口，可以高效、快速地开发在Windows 环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统［6-7］。

内河船舶航速预报及能效评估软件主要具有阻力估算、螺旋桨设计及推进性能计算、机桨工况匹配、航速预报、能效评估等功能，图1为软件的界面。该软件基于Visual C++开发平台，将具有各种独立功能的程序集成在一起而实现。软件的主要功能如下：

（1）基于修正的艾亚法进行船舶有效功率估算［8］；

（2）利用经验公式计算推进因子，基于图谱法进行螺旋桨设计及推进性能计算；

（3）利用船舶有效功率曲线、螺旋桨推进曲线与主机特性，进行机桨工况匹配与航速预报；

（4）根据能效指标计算公式进行计算，并与相关能效标准进行比较［9］。

图1　软件界面

2 软件设计与算法

2.1 软件结构图

软件的结构如下页图2所示。

初始参数输入函数实现船舶、螺旋桨、主机等参数的输入，函数提供有两种方式供用户选择。一种是在各计算模块界面输入，只需要输入单独使用该模块功能的参数；一种是采用文本文件导入的形式，按照设定的文件格式编辑初始参数数据，这样能够在文件中给定多艘船舶的数据，进行批量化计算。

阻力计算模块中采用的算法是修正艾亚法，是基于内河船船模试验数据对艾亚法进行修正的方法，详见第2.3节。对于能够通过其他方法获得船舶阻力的，诸如船模试验、CFD计算等，界面中提供数据导入接口，用户可以导入已知阻力数据进行螺旋桨设计及航速计算。

图2　软件结构图

由于内河船舶的螺旋桨基本是图谱桨，故螺旋桨设计模块基于图谱法可完成螺旋桨的初始设计和终结设计，接着利用推进计算函数完成螺旋桨的Kt、Kq、η0的计算。对于已有螺旋桨的，可跳过设计阶段，通过输入螺旋桨的直径、螺距比、盘面积等参数，直接利用推进计算公式进行推进性能计算。

利用阻力计算得到的有效功率曲线、螺旋桨的推力曲线，结合主机特性，进行机桨匹配，计算得到船舶航速，再根据船舶载重、主机与辅机参数完成船舶能效的计算，并与相关的能效标准进行比较。这就是软件实现能效计算评估的整个过程。

当用户依次运行各计算模块时，可查看该模块计算过程中产生的相关结果，便于用户对最终结果可靠性的判断。而进行自动批量化计算时，由于数据量较大，这些中间结果并不输出。为保证最终结果的可靠性，软件程序对在计算过程中涉及的各变量进行了量级判断，如出现不符合物理关系或数学关系的异常情况，将其输出到独立的一个结果文件，供用户辨别及查找错误。

2.2 图谱曲线的数值化

在艾亚法计算和螺旋桨设计过程中，都需要进行查图谱与插值操作，手工计算时这部分工作既繁琐又易出错。为使计算程序自主完成这些查图谱与插值操作，首先必须使艾亚法与螺旋桨设计的图谱数值化，即将曲线图转换成计算程序能够识别读取的数据。

在软件开发前期工作中，利用AutoCAD二次开发语言Lisp进行CAD数据读取命令的编写，实现将CAD中曲线的坐标值输出到指定的文件。将计算中用到的图谱曲线制成图片导入CAD，再利用该命令即可将这些曲线的坐标导出成数据格式。利用Lisp开发的命令将这些数据点在CAD中自动绘制成曲线。将绘成的曲线与原图曲线进行比较，验证数据的精度，最终得到一系列可用于程序计算的数据点。图3为艾亚法的系数C0图经过数值化后所得数据点绘成的曲线。

图3　艾亚法系数C0图数值化后绘成的曲线

对于分布规律性强的数据点，如螺旋桨最佳效率曲线、螺旋桨KT/KQ曲线等数据，将其回归成计算公式，这样既使程序编写方便、又能提高计算速度。而对于不易回归的数据点，则将其作为初始数据固化于程序中，计算时根据其分布规律使用线性插值或非线性插值的函数进行插值计算。这样，原来需要手工查图的操作实现了自动化计算。

2.3 艾亚法的修正

艾亚法是基于海船资料回归得出的估算方法，当其应用于内河船时需要进行一定的修正，而修正量的大小通常凭船舶设计工作者的经验估算［10］。为使艾亚法能有效应用于内河船舶阻力的估算，有必要对其进行修正和分析。

收集到35艘内河货船的船模水池试验数据，由于内河船的航速较低，此次分析采用的试验数据的航速范围为14～21 km/h，共有197个样本点。表1给出这些船的主参数范围。利用艾亚法进行阻力估算，将计算结果与试验数据进行比较和分析，以此为基础进行修正和分析。

表1　船模试验船舶参数范围

艾亚法的阻力估算在计算过程中根据方形系数Cb、宽吃水比B/T、浮心纵向位置xc、水线长Lwl与标准船型的差异进行4个步骤的修正。经过分析获知：关于xc和Lwl的修正量较小，对结果影响不大，故只改进Cb与B/T的修正方法，使艾亚法更适用于内河船的阻力估算。

将艾亚法计算过程中的变量Fr、Cb、Cbc、B/ T、C0导出作为回归分析的初始数据。将船舶有效功率试验数据转换成对应的系数C2。则艾亚法计算过程中C2的表达式为其中D1、D2分别为艾亚法对Cb、B/T的修正系数。

分别利用原版的艾亚法和修正的艾亚法对197个样本点进行计算，将结果与试验数据进行比较分析。将计算值与试验值之间的相对误差以5%为间距划分区间并统计各区间分布的样本比例，图4显示两种方法的分布比例。从中可看出，原版艾亚法的结果大部分相对试验值偏小，相对误差的绝对值大于5%的样本点所占比例达70%；而修正艾亚法的结果则有69%的样本点分布于-5%至5%之间，且97%处于-10%至10%之间。这表明修正艾亚法更适合于内河船舶的有效功率估算，其计算精度能够满足工程应用要求。

图4　计算值与试验值的相对误差的分布图

3 软件验证算例

3.1 航速预报的验证

收集实船试验资料进行软件计算航速的验证，共有7艘船，其中散货船3艘、集装箱船1艘、油船3艘，其主要参数及航速的计算结果见表2。由该表可看出，其中最大误差为4.6%，而有4艘船的误差小于3%。

3.2 能效评估的验证

为验证软件应用于能效评估的效果，通过收集长江干散货船的数据，选取载重吨在1 000～8 000 t的船舶共2 965艘，进行CO2排放指标的计算分析。图5是CO2排放指标ICO2计算值的散点分布图。由于图中5 000吨级以下的船舶数量多，计算值散点过于密集。为清晰反映其能效水平，对计算值进行统计，得到样本中50%通过A级航区ICO2限值时的数值，图中用▲作了标识。而干散货船的A级航区限值的制订标准即为50%的船舶通过。由此可知，采用软件进行长江船舶能效评估能够较准确反映其实际能效水平。

图5　长江干散货船CO2排放指标分布图

4 结 论

将Visual C++应用于内河船舶航速预报及能效评估的开发，不但能明显减轻用户的工作量，提高工作效率，提高船舶初始设计阶段在阻力估算、螺旋桨设计、航速估算、能效评估的速度，而且其友好界面能实现批量化计算，具有良好的使用价值。程序中采用基于内河船舶试验资料的修正艾亚法进行阻力估算，从而提高了计算精度。

表2　实船试验测试与软件预报航速的比较

［参考文献］

［ 1 ］ IMO. MEPC 62/6/4. Calculation of Parameters for Determination of EEDI Reference Values［S］. 2011.

［ 2 ］ IMO. MEPC 212（63）. 2012 Guidelines on the Method of Calculation of the Attained Energy Efficiency Design Index （EEDI） for New Ships［S］. 2012.

［ 3 ］ 交通运输部. 内河运输船舶标准船型指标体系［S］. 2012.

［ 4 ］ 交通运输部.内河运输船舶标准化管理规定［S］. 2014.

［ 5 ］ 余建伟， 尹逊滨. EEDI对总体设计的影响［J］. 船舶工程， 2013，S2，134-136.

［ 6 ］ 钱能. C++程序设计教程［M］. 北京： 清华大学出版社， 2009.

［ 7 ］ 王文强， 胡勇. 基于VC++与OpenGL的船舶合拢管可视化设计［J］. 船舶工程， 2014， 36（5）：107-121.

［ 8 ］ 盛振邦， 刘应中． 船舶原理［M］. 上海： 上海交通大学出版社， 2003．

［ 9 ］ 中国船级社. 船舶能效设计指数（EEDI）指南［S］.北京： 人民交通出版社， 2012.

［10］ 刘桂杰， 郭春雨， 李茂华，等. 船舶阻力图谱计算与模型试验结果比较分析［J］. 中国舰船研究， 2014（3）：38-42.

Software development for speed prediction and energy effi ciency evaluation of inland ships

CHEN Yu CHEN Qing-ren ZHAO Bing-qian
(Wuhan Rule and Research Institute, China Classifi cation Society, Wuhan 430022, China)

Abstract:It is urgent to develop a calculation software to quickly evaluate the ship energy efficiency with the continuous development of shipbuilding industry and the implementation of the concept of “energy efficiency index”. The software for speed prediction and energy efficiency evaluation of inland ships is developed based on the C++ development platform, where the effective power is estimated by a modified Ayre method, and the propeller design and propulsion performance calculation is carried out based on the graph method. The results show that this software is characterized of easy usage, fast operation and good practicability.

Keywords:inland ship; speed; energy efficiency; software

［作者简介］陈 钰（1985-），女，硕士，工程师，研究方向：船舶快速性及船舶CFD研究。

［收稿日期］2015-09-18；［修回日期］2015-12-11

［基金项目］浙江省自然科学基金（LY15E090007）。

［中图分类号］TP311.52

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）01-0100-05