实船快速性能预估方法及试验验证

彭言峰

（南通远洋船舶配套有限公司，江苏南通 226013）

0 引言

快速性是船舶重要的性能之一，与船舶的经济性和使用性密切相关。船舶快速性是在给定主机功率时，表征船舶航速高低的一种性能。在新船的设计阶段往往需要能够对船舶快速性能进行迅速而准确的预估。船舶大型化和高速化的发展对船舶快速性能的要求也越来越高。

目前，研究船舶快速性能的方法主要有计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）法和船模试验法。随着科学技术的快速发展，CFD已经得到广泛应用。在实尺度的模拟计算方面，CFD技术也具有一定的精度。

在研究船舶快速性的问题上，船模试验一直是最主要的方法，在船舶设计中所采用的系列船型资料、回归公式和图谱等，绝大多数都是通过船模试验得来的。船模试验是根据相似理论按一定缩尺比制作桨模和船模，并在试验水池中进行试验。预报实船的性能通常需要进行船模阻力试验、自航试验和螺旋桨敞水试验，其牵涉面广、影响因素多，如附加阻力、伴流的尺度效应、船型、螺旋桨敞水效率以及各船模试验水池积累的经验统计资料等。船模试验是研究船舶快速性最普遍、最有效的方法。

1 船模试验方法

船模试验法主要分为船模阻力试验、螺旋桨敞水试验和船模自航试验。

1.1 船模阻力试验

船体周围的流动情况相当复杂，船舶在静水中运动时所受到的阻力主要有2种：1）由兴波引起的压力分布的改变所产生的兴波阻力；2）由于水为黏性流体，在船体周围形成边界层，在船体表面产生的摩擦阻力；3）由于水的黏性引起船体前后压力不平衡而产生的黏压阻力。

船模阻力试验主要研究船模在水中等速直线航行时所受的作用力，得到船模阻力与航速的变化关系，进一步分析确定各阻力成分，从而得到实船阻力数值，并进而得到实船有效功率。船模阻力试验要在船模自航试验前进行，为分析自航试验结果、预报实船性能提供必要的数据。

1.2 螺旋桨敞水试验

螺旋桨是船舶重要的推进装置，螺旋桨敞水试验主要用于研究和分析螺旋桨的水动力性能，通过测量螺旋桨的推力

T

和扭矩

Q

，可以得到螺旋桨在不同进速下的推力系数

k

、转矩系数

k

和敞水效率

η

，并将结果绘制成螺旋桨敞水性征曲线。

螺旋桨敞水试验也需要在船模自航试验前进行，为分析预报实船各种推进效率提供螺旋桨性能数据。

1.2 船模自航试验

船模自航试验主要分析研究船模自航因子和各种推进效率成分。对于给定的船舶，根据船模的阻力性能、螺旋桨的敞水性征曲线及自航试验结果即可进行实船性能预估，得出主机功率、转速和船速三者之间的关系，进而给出实船在一定功率下的预估航速。

船模自航试验是在船模阻力试验、螺旋桨敞水试验之后进行的。

2 船舶主要要素及船模试验

2.1 船舶主要参数

以某主流船型为研究对象，该船主要要素如下：垂线间长

L

为294.4 m；水线间长

L

为284.63 m；型宽

B

为50 m；压载工况下的艏吃水

T

为6.3 m，艉吃水

T

为9.85 m；排水体积

▽

为93 302.4 m；舭龙骨面积

S

为141.3 m；螺旋桨直径

D

为9.6 m；桨叶数

Z

为4；盘面比

A

/

A

为0.4；螺距比

P

/

D

为0.765 6；主机功率

P

为12 710 kW；转速

N

为62.3 r/min；轴系效率

η

为0.99。

2.2 船模试验数据

按照实船与船模缩尺比41∶1制作船模并进行试验，先后进行船模阻力试验、螺旋桨敞水试验、和船模自航试验。

船模阻力试验、螺旋桨敞水试验和船模自航试验的结果分别见表1～表3。

表1 船模阻力试验

表2 螺旋桨敞水试验

表3 船模自航试验

3 1978 ITTC单桨船实船性能预估标准换算方法

基于船模阻力试验、螺旋桨敞水试验和船模自航试验的结果，目前有很多方法可预估实船性能，例如Δ

C

法、Δ

w

法和(1+

x

)

K

法等。1978年十五届国际船模拖曳水池会议提出确定了《1978ITTC单桨船实船性能的预估方法》，本文将按照此方法进行该船的实船性能预估。

3.1 实船阻力换算

首先进行实船阻力换算。船体形状是相当复杂的三因次物体，船体阻力采用三因次方法进行换算。船模阻力三因次法将阻力分为黏性阻力和兴波阻力两部分，兴波阻力与傅汝德数有关，黏性阻力与雷诺数和船体形状密切相关。粘压阻力系数

C

与摩擦阻力系数

C

之比是一常数

k

。在船模阻力试验尺度效应换算的三因次分析方法中，计算的重点是如何确定船舶的形状因子。

在实船中，该船船体采用安装舭龙骨来减少船舶的横摇，但船模试验是在不安装舭龙骨下进行的。

实船的总阻力系数

C

计算公式为

式中：

C

为船模总阻力系数，计算公式见式（2）；

C

为船模摩擦阻力系数，计算公式见式（3）；

C

为实船摩擦阻力系数，计算公式见式（4）；Δ

C

为粗糙度补贴系数，计算公式见式（5）；

C

为空气阻力系数，计算公式见式（6）；（1

+k

）为形状因子，可由最小二乘法确定，计算公式见式（7）；

S

为实船的湿表面积；

S

为舭龙骨面积。

式中：

R

为船模阻力；

ρ

为水的密度；

S

为船模湿表面积；

V

为船模速度。

式中：

Re

为船模雷诺数。

式中：

Re

为实船雷诺数。

式中：

k

为船体表面粗糙度，

k

=150×10m；

L

为水线长度。

式中：

A

为水线面以上船体部分在中横剖面上的投影面积；

S

为水线面以下船体湿表面积。

式中：

y

为常数；

Fr

为傅汝德数。船模的兴波阻力系数

C

计算公式为

实船的兴波阻力系数

C

按照傅汝德假定和船模兴波阻力系数

C

相等，即

C

=

C

。实船的总阻力

R

计算公式为

式中：

ρ

为海水密度；

S

为实船湿表面积；

V

为实船速度。实船有效功率

P

计算公式为

换算求得的实船总阻力

R

和有效功率

P

见表4。

表4 实船总阻力和有效功率

3.2 实桨敞水性征曲线

对于螺旋桨敞水试验，桨模和实桨在进速系数相等条件下进行，而雷诺数超过临界雷诺数。不同雷诺数对螺旋桨性能的影响称为尺度作用。在实际应用中，尺度作用仅适用于超临界区的情况。螺旋桨的尺度作用对扭矩影响较大，对推力影响较小。

实桨敞水效率

η

计算公式为

式中：

V

为进速；

K

为实桨推力系数；

K

为实桨转矩系数。根据桨模敞水试验结果进行尺度修正后求得实桨的性能。根据ITTC推荐的修正方法，在同一进速系数

J

下，实桨推力系数和桨模推力系数之间关系见式（12），实桨转矩系数和桨模转矩系数之间关系见式（13）。

式（12）和式（13）中：

K

为桨模推力系数；

K

为桨模转矩系数；Δ

K

为尺度作用对推力系数的影响，表达式见式（14）；Δ

K

为尺度作用对转矩系数的影响，表达式见式（15）。

式中：

Z

为螺旋桨叶数；

D

为螺旋桨直径；

P

为距桨心0.75

R

处的螺距；

b

为距桨心0.75

R

处切面弦长；

t

为距桨心0.75

R

处切面厚度；

R

为距桨心0.75

R

处的雷诺数；

K

为实桨的表面粗糙度，一般取30×10m。

在螺旋桨模型的敞水试验中，将模型试验的敞水性征曲线修正至实桨的敞水性征曲线（见图1）。

图1 实桨敞水性征曲线

3.3 实船推进因子

船模自航试验采用强制自航法，根据船模自航试验得到的螺旋桨转速

N

、推力

T

和转矩

Q

数据，分析得到自航因子、各种推进效率成分及实船性能。不考虑尺度作用的情况下，实船的推力减额分数

t

计算公式为

式中：

t

为船模的推力减额分数；

T

为船模的推力；

R

为船模的阻力。实船的伴流分数

w

计算公式为

船模的伴流分数

w

计算公式为

式中：

J

为桨模进速系数；

N

为桨模转速；

D

为桨模直径。

3.4 实船推进效率

实船的船身效率

η

计算公式为

不考虑尺度作用的情况下，实船的相对旋转效率

η

计算公式为

式中：

η

为船模的相对旋转效率；

K

为敞水转矩系数，根据推力系数

K

用等推力法查螺旋桨敞水性征曲线得到；

K

为船后螺旋桨转矩系数，根据式（21）进行计算。

实桨的敞水效率

η

，可根据绘制实桨的

J

-(

K

/

J

) 曲线得到；实船的推进效率

η

和推进功率

P

计算公式分别为

式中：

P

为有效功率。不同

V

情况下实船推进因子、推进效率及航速预估情况见表6。

表6 实船推进因子、推进效率及航速预估

3.5 实船航速预估

由表6中的航速

V

和对应的功率

P

可绘制航速-功率曲线（见图2）。该船主机功率

P

为12 710 kW，轴系功率

η

为0.99，螺旋桨收到功率

P

为12 583 kW，在该功率下对应的实船航速为15.91 kn。

图2 实船航速预估

4 实船试航试验

实船快速性能最终能否达到设计要求，必须经过实船试航试验证。本船在建造完成后，进行实船试航试验验证。为保证实船试航试验结果的准确性，需要选择合适的试验条件、合理的试验方法及数据分析方法，得到实船在标准工况下的航速。实船试航试验结果如表7所示，并与按1978ITTC法预估的结果做了比较。

表7 实船试航验证

5 结论

本文对该船进行了船模阻力试验、螺旋桨敞水试验、船模自航试验，并采用1978年ITTC单桨船实船性能预估方法进行了该船的实船性能预估，并通过实船试航试验来进行最终验证。通过结果对比，1978年ITTC法预估的结果与实船试航试验结果相当接近，符合实际。