內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估軟件開發(fā)

陳 鈺 陳慶任 趙丙乾（中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所 武漢430022）

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內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估軟件開發(fā)

陳 鈺 陳慶任 趙丙乾
（中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所 武漢430022）

［摘 要］隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展和能效指數(shù)概念的推行，迫切需要研發(fā)一種計(jì)算軟件來快速評(píng)估船舶能效。文中采用修正的艾亞法進(jìn)行船舶有效功率估算、基于圖譜法進(jìn)行螺旋槳的設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算、進(jìn)行船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估，并基于C++開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估軟件。結(jié)果表明，該軟件使用方便、運(yùn)算快速，具有良好的實(shí)用性。

［關(guān)鍵詞］內(nèi)河船舶；航速；能效；軟件

陳慶任（1984-），男，博士，工程師，研究方向：船舶快速性及船舶CFD研究。

趙丙乾（1985-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶快速性及船舶CFD研究。

引 言

IMO在2011年7月召開的MEPC62會(huì)議上以MEPC.203（62）決議通過MARPOL附則VI修正案，引入船舶能效規(guī)定，使船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）相關(guān)要求成為強(qiáng)制性，該修正案已于2013年1月1日生效實(shí)施［1-2］。

對(duì)內(nèi)河船舶而言，2012年7月1日起生效的《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型指標(biāo)體系》對(duì)燃料消耗和CO2排放提出了強(qiáng)制性要求［3］。2014年12月24日公布的《內(nèi)河運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定》對(duì)新船準(zhǔn)入提出了指標(biāo)體系強(qiáng)制性指標(biāo)要求［4］。

此后的船舶初始設(shè)計(jì)階段，船舶能效評(píng)估是不可避免的一步［5］。與海船相比，內(nèi)河航運(yùn)附加值低、內(nèi)河船舶設(shè)計(jì)費(fèi)用少，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行船模水池試驗(yàn)的船舶很少，在設(shè)計(jì)階段如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行航速預(yù)報(bào)是船舶能效評(píng)估的關(guān)鍵。本文采用修正的艾亞法進(jìn)行船舶阻力估算、基于圖譜法進(jìn)行螺旋槳的設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶航速的預(yù)報(bào)與能效評(píng)估，開發(fā)了內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估軟件。

1 軟件概述

Visual C++是微軟公司推出的面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。它具有程序框架自動(dòng)生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設(shè)計(jì)集成交互操作、可開發(fā)多種程序等優(yōu)點(diǎn)，通過簡(jiǎn)單的設(shè)置就可使其生成的程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫接口，可以高效、快速地開發(fā)在Windows 環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)［6-7］。

內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估軟件主要具有阻力估算、螺旋槳設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算、機(jī)槳工況匹配、航速預(yù)報(bào)、能效評(píng)估等功能，圖1為軟件的界面。該軟件基于Visual C++開發(fā)平臺(tái)，將具有各種獨(dú)立功能的程序集成在一起而實(shí)現(xiàn)。軟件的主要功能如下：

（1）基于修正的艾亞法進(jìn)行船舶有效功率估算［8］；

（2）利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算推進(jìn)因子，基于圖譜法進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)及推進(jìn)性能計(jì)算；

（3）利用船舶有效功率曲線、螺旋槳推進(jìn)曲線與主機(jī)特性，進(jìn)行機(jī)槳工況匹配與航速預(yù)報(bào)；

（4）根據(jù)能效指標(biāo)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并與相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較［9］。

圖1　軟件界面

2 軟件設(shè)計(jì)與算法

2.1 軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件的結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

初始參數(shù)輸入函數(shù)實(shí)現(xiàn)船舶、螺旋槳、主機(jī)等參數(shù)的輸入，函數(shù)提供有兩種方式供用戶選擇。一種是在各計(jì)算模塊界面輸入，只需要輸入單獨(dú)使用該模塊功能的參數(shù)；一種是采用文本文件導(dǎo)入的形式，按照設(shè)定的文件格式編輯初始參數(shù)數(shù)據(jù)，這樣能夠在文件中給定多艘船舶的數(shù)據(jù)，進(jìn)行批量化計(jì)算。

阻力計(jì)算模塊中采用的算法是修正艾亞法，是基于內(nèi)河船船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)艾亞法進(jìn)行修正的方法，詳見第2.3節(jié)。對(duì)于能夠通過其他方法獲得船舶阻力的，諸如船模試驗(yàn)、CFD計(jì)算等，界面中提供數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，用戶可以導(dǎo)入已知阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)及航速計(jì)算。

圖2　軟件結(jié)構(gòu)圖

由于內(nèi)河船舶的螺旋槳基本是圖譜槳，故螺旋槳設(shè)計(jì)模塊基于圖譜法可完成螺旋槳的初始設(shè)計(jì)和終結(jié)設(shè)計(jì)，接著利用推進(jìn)計(jì)算函數(shù)完成螺旋槳的Kt、Kq、η0的計(jì)算。對(duì)于已有螺旋槳的，可跳過設(shè)計(jì)階段，通過輸入螺旋槳的直徑、螺距比、盤面積等參數(shù)，直接利用推進(jìn)計(jì)算公式進(jìn)行推進(jìn)性能計(jì)算。

利用阻力計(jì)算得到的有效功率曲線、螺旋槳的推力曲線，結(jié)合主機(jī)特性，進(jìn)行機(jī)槳匹配，計(jì)算得到船舶航速，再根據(jù)船舶載重、主機(jī)與輔機(jī)參數(shù)完成船舶能效的計(jì)算，并與相關(guān)的能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。這就是軟件實(shí)現(xiàn)能效計(jì)算評(píng)估的整個(gè)過程。

當(dāng)用戶依次運(yùn)行各計(jì)算模塊時(shí)，可查看該模塊計(jì)算過程中產(chǎn)生的相關(guān)結(jié)果，便于用戶對(duì)最終結(jié)果可靠性的判斷。而進(jìn)行自動(dòng)批量化計(jì)算時(shí)，由于數(shù)據(jù)量較大，這些中間結(jié)果并不輸出。為保證最終結(jié)果的可靠性，軟件程序?qū)υ谟?jì)算過程中涉及的各變量進(jìn)行了量級(jí)判斷，如出現(xiàn)不符合物理關(guān)系或數(shù)學(xué)關(guān)系的異常情況，將其輸出到獨(dú)立的一個(gè)結(jié)果文件，供用戶辨別及查找錯(cuò)誤。

2.2 圖譜曲線的數(shù)值化

在艾亞法計(jì)算和螺旋槳設(shè)計(jì)過程中，都需要進(jìn)行查圖譜與插值操作，手工計(jì)算時(shí)這部分工作既繁瑣又易出錯(cuò)。為使計(jì)算程序自主完成這些查圖譜與插值操作，首先必須使艾亞法與螺旋槳設(shè)計(jì)的圖譜數(shù)值化，即將曲線圖轉(zhuǎn)換成計(jì)算程序能夠識(shí)別讀取的數(shù)據(jù)。

在軟件開發(fā)前期工作中，利用AutoCAD二次開發(fā)語言Lisp進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)讀取命令的編寫，實(shí)現(xiàn)將CAD中曲線的坐標(biāo)值輸出到指定的文件。將計(jì)算中用到的圖譜曲線制成圖片導(dǎo)入CAD，再利用該命令即可將這些曲線的坐標(biāo)導(dǎo)出成數(shù)據(jù)格式。利用Lisp開發(fā)的命令將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)在CAD中自動(dòng)繪制成曲線。將繪成的曲線與原圖曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的精度，最終得到一系列可用于程序計(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖3為艾亞法的系數(shù)C0圖經(jīng)過數(shù)值化后所得數(shù)據(jù)點(diǎn)繪成的曲線。

圖3　艾亞法系數(shù)C0圖數(shù)值化后繪成的曲線

對(duì)于分布規(guī)律性強(qiáng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如螺旋槳最佳效率曲線、螺旋槳KT/KQ曲線等數(shù)據(jù)，將其回歸成計(jì)算公式，這樣既使程序編寫方便、又能提高計(jì)算速度。而對(duì)于不易回歸的數(shù)據(jù)點(diǎn)，則將其作為初始數(shù)據(jù)固化于程序中，計(jì)算時(shí)根據(jù)其分布規(guī)律使用線性插值或非線性插值的函數(shù)進(jìn)行插值計(jì)算。這樣，原來需要手工查圖的操作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化計(jì)算。

2.3 艾亞法的修正

艾亞法是基于海船資料回歸得出的估算方法，當(dāng)其應(yīng)用于內(nèi)河船時(shí)需要進(jìn)行一定的修正，而修正量的大小通常憑船舶設(shè)計(jì)工作者的經(jīng)驗(yàn)估算［10］。為使艾亞法能有效應(yīng)用于內(nèi)河船舶阻力的估算，有必要對(duì)其進(jìn)行修正和分析。

收集到35艘內(nèi)河貨船的船模水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于內(nèi)河船的航速較低，此次分析采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的航速范圍為14～21 km/h，共有197個(gè)樣本點(diǎn)。表1給出這些船的主參數(shù)范圍。利用艾亞法進(jìn)行阻力估算，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行修正和分析。

表1　船模試驗(yàn)船舶參數(shù)范圍

艾亞法的阻力估算在計(jì)算過程中根據(jù)方形系數(shù)Cb、寬吃水比B/T、浮心縱向位置xc、水線長(zhǎng)Lwl與標(biāo)準(zhǔn)船型的差異進(jìn)行4個(gè)步驟的修正。經(jīng)過分析獲知：關(guān)于xc和Lwl的修正量較小，對(duì)結(jié)果影響不大，故只改進(jìn)Cb與B/T的修正方法，使艾亞法更適用于內(nèi)河船的阻力估算。

將艾亞法計(jì)算過程中的變量Fr、Cb、Cbc、B/ T、C0導(dǎo)出作為回歸分析的初始數(shù)據(jù)。將船舶有效功率試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的系數(shù)C2。則艾亞法計(jì)算過程中C2的表達(dá)式為其中D1、D2分別為艾亞法對(duì)Cb、B/T的修正系數(shù)。

分別利用原版的艾亞法和修正的艾亞法對(duì)197個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。將計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差以5%為間距劃分區(qū)間并統(tǒng)計(jì)各區(qū)間分布的樣本比例，圖4顯示兩種方法的分布比例。從中可看出，原版艾亞法的結(jié)果大部分相對(duì)試驗(yàn)值偏小，相對(duì)誤差的絕對(duì)值大于5%的樣本點(diǎn)所占比例達(dá)70%；而修正艾亞法的結(jié)果則有69%的樣本點(diǎn)分布于-5%至5%之間，且97%處于-10%至10%之間。這表明修正艾亞法更適合于內(nèi)河船舶的有效功率估算，其計(jì)算精度能夠滿足工程應(yīng)用要求。

圖4　計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差的分布圖

3 軟件驗(yàn)證算例

3.1 航速預(yù)報(bào)的驗(yàn)證

收集實(shí)船試驗(yàn)資料進(jìn)行軟件計(jì)算航速的驗(yàn)證，共有7艘船，其中散貨船3艘、集裝箱船1艘、油船3艘，其主要參數(shù)及航速的計(jì)算結(jié)果見表2。由該表可看出，其中最大誤差為4.6%，而有4艘船的誤差小于3%。

3.2 能效評(píng)估的驗(yàn)證

為驗(yàn)證軟件應(yīng)用于能效評(píng)估的效果，通過收集長(zhǎng)江干散貨船的數(shù)據(jù)，選取載重噸在1 000～8 000 t的船舶共2 965艘，進(jìn)行CO2排放指標(biāo)的計(jì)算分析。圖5是CO2排放指標(biāo)ICO2計(jì)算值的散點(diǎn)分布圖。由于圖中5 000噸級(jí)以下的船舶數(shù)量多，計(jì)算值散點(diǎn)過于密集。為清晰反映其能效水平，對(duì)計(jì)算值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到樣本中50%通過A級(jí)航區(qū)ICO2限值時(shí)的數(shù)值，圖中用▲作了標(biāo)識(shí)。而干散貨船的A級(jí)航區(qū)限值的制訂標(biāo)準(zhǔn)即為50%的船舶通過。由此可知，采用軟件進(jìn)行長(zhǎng)江船舶能效評(píng)估能夠較準(zhǔn)確反映其實(shí)際能效水平。

圖5　長(zhǎng)江干散貨船CO2排放指標(biāo)分布圖

4 結(jié) 論

將Visual C++應(yīng)用于內(nèi)河船舶航速預(yù)報(bào)及能效評(píng)估的開發(fā)，不但能明顯減輕用戶的工作量，提高工作效率，提高船舶初始設(shè)計(jì)階段在阻力估算、螺旋槳設(shè)計(jì)、航速估算、能效評(píng)估的速度，而且其友好界面能實(shí)現(xiàn)批量化計(jì)算，具有良好的使用價(jià)值。程序中采用基于內(nèi)河船舶試驗(yàn)資料的修正艾亞法進(jìn)行阻力估算，從而提高了計(jì)算精度。

表2　實(shí)船試驗(yàn)測(cè)試與軟件預(yù)報(bào)航速的比較

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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

［作者簡(jiǎn)介］陳 鈺（1985-），女，碩士，工程師，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

［基金項(xiàng)目］浙江省自然科學(xué)基金（LY15E090007）。

［中圖分類號(hào)］TP311.52

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）01-0100-05