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      變負荷系數(shù)對實船航速修正的影響分析

      2023-07-22 08:04:28瓊,徐杰,張
      艦船科學技術(shù) 2023年11期
      關(guān)鍵詞:實船船模航速

      胡 瓊,徐 杰,張 旭

      (中國船舶科學研究中心, 江蘇 無錫 214082)

      0 引 言

      船舶的設(shè)計航速通常是以風平浪靜為條件進行預(yù)報的。而實船試航時,現(xiàn)實的風、浪、流、水溫和水密度、水深等環(huán)境因素和船舶裝載狀態(tài)會在很大程度上影響實船測速試驗結(jié)果。在測速試驗中,為了準確評估船舶的航速,必須修正環(huán)境因素和裝載狀態(tài)對實測航速和功率的影響[1]。

      ISO15016:2015[2]是國際海事組織(IMO)指定的實船測速試驗標準之一。該方法基于直接功率法,首先計算風、波浪、水溫和水密度偏差等環(huán)境影響引起的總阻力增加,乘以對水航速,并考慮變負荷系數(shù)、推進效率系數(shù)等,得到修正環(huán)境影響后的螺旋槳收到功率和軸轉(zhuǎn)速。然后修正流和淺水效應(yīng)對航速的影響,再根據(jù)海軍部系數(shù)修正排水量對螺旋槳收到功率的影響,最終得到船舶在當前裝載狀態(tài)下、無風、無浪、無流、15℃深水中的航速功率點[3]。變負荷系數(shù)ξP,ξn,ξV是基于直接功率法的測速試航數(shù)據(jù)分析過程中的3 個關(guān)鍵參數(shù),可通過變負荷試驗得到。其中,ξP為推進效率與阻力增加之間的相關(guān)性,ξn為螺旋槳軸轉(zhuǎn)速與功率增加之間的相關(guān)性,ξV為螺旋槳軸轉(zhuǎn)速與航速變化之間的相關(guān)性。在航速修正過程中,這3 個參數(shù)可采用參考值,即ξP=0,ξn=0.20,ξV=–0.33,也可以根據(jù)船模變負荷試驗計算得到。

      為了評估變負荷系數(shù)對實船航速修正結(jié)果的影響,基于某型散貨船7 艘系列船的實船測速試驗數(shù)據(jù),使用變負荷系數(shù)參考值以及根據(jù)船模試驗計算得到的變負荷系數(shù)值進行航速修正,并對結(jié)果進行比較,為船舶測速試航提供參考。

      1 變負荷試驗

      船舶在理想環(huán)境下航行時,螺旋槳收到功率和軸轉(zhuǎn)速等體現(xiàn)負荷狀態(tài)的數(shù)據(jù)屬于實船自航點條件數(shù)據(jù)。阻力對船舶航行的影響體現(xiàn)在螺旋槳的負荷狀態(tài)方面,導(dǎo)致螺旋槳處于輕載或重載狀態(tài)。因此,變負荷試驗實質(zhì)上是模擬固定的螺旋槳負荷狀態(tài),預(yù)估船舶性能的自航試驗[4]。

      船模自航試驗是分析研究各種推進效率成分的重要手段,分為純粹自航法和強制自航法2 種。純粹自航法是事先在船模上扣除船模速度Vm時的摩擦阻力修正值FD,然后調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速,使其發(fā)出的推力恰能克服阻力(Rm–FD),保持船模速度與拖車速度Vm相等[5]。由于FD在試驗中不能改變,調(diào)節(jié)比較困難,因此我國的船模試驗水池一般都采用強制自航法。

      強制自航法是船模在螺旋槳推力T和強制力z的共同作用下進行的自航試驗,利用阻力儀調(diào)節(jié)強制力z,使船模的速度和拖車速度保持相等[5]。對某一選定的船模試驗速度Vm,一般需要進行5 次強制力不同的自航試驗,每次盡可能保持同一速度Vm。對不同的強制力,為了維持船模速度Vm不變,要求螺旋槳推力T、轉(zhuǎn)速n和扭矩QB隨之變化。

      對于少數(shù)采用純粹自航法進行自航試驗的水池,需補充進行變負荷試驗。變負荷試驗由至少4 個自航試驗航次組成,每一航次在保持船模速度不變的情況下在不同螺旋槳軸轉(zhuǎn)速下進行。螺旋槳軸轉(zhuǎn)速按以下方式選擇:

      式中:ΔR為阻力增加值,N;Rid為阻力試驗獲得的真實速度下的實尺度阻力,N;FX為變負荷試驗期間測得的外部拖力,N;FD為常規(guī)自航試驗中表面摩擦修正力,N;λ為尺度因子;ρS為實尺度的水密度,kg/m3;ρM為模型試驗中的水密度,kg/m3。

      2 變負荷系數(shù)

      2.1 變負荷系數(shù)的涵義

      阻力增加影響螺旋槳負荷,進而影響船舶的推進效率。ISO15016:2015 采用直接功率法,考慮風、浪、水溫和密度等環(huán)境條件對船舶航行時的阻力和推進性能的影響,對實測功率、航速和轉(zhuǎn)速進行修正。在直接功率法中,假定推進效率隨增阻線性變化,即

      式中:ηDms為試航條件下的推進效率系數(shù);ηDid為理想條件下的推進效率系數(shù);ξP是反映推進效率與增阻之間關(guān)系的變負荷系數(shù),由變負荷試驗得到;ΔR為阻力增加,N;R理想條件下的阻力,N。

      由此可推導(dǎo)出修正后的理想條件下的螺旋槳收到功率,如下式:

      式中:PDid為理想條件下的螺旋槳收到功率,kW;PDms為試航條件下的螺旋槳收到功率,kW;ΔR為總阻力增加,N;VS為船舶對水速度,m/s;ηDid為理想條件下的推進效率系數(shù);ξP為表示推進效率與阻力增加之間相關(guān)性的變負荷系數(shù)。

      螺旋槳軸轉(zhuǎn)速可按照下式進行修正:

      據(jù)此得出修正到理想條件下的螺旋槳軸轉(zhuǎn)速為:

      式中:nms為測得的螺旋槳軸轉(zhuǎn)速,r/min;nid為修正后的螺旋槳軸轉(zhuǎn)速,r/min;PDid為理想條件下的螺旋槳收到功率,kW;PDms為試航條件下的螺旋槳收到功率,kW;ξn為表示螺旋槳軸轉(zhuǎn)速與功率增加之間相關(guān)性的變負荷系數(shù);ξV是表示螺旋槳軸轉(zhuǎn)速與航速變化之間相關(guān)性的變負荷系數(shù);VS為船舶對水速度,m/s;ΔV為由于淺水引起的船舶失速,m/s。

      2.2 變負荷系數(shù)ξP 的獲取方法

      理想條件下的推進效率系數(shù)ηDid可由標準拖曳水池試驗按航速VS插值得到。將變負荷試驗得到的推進效率ηDms與常規(guī)自航試驗得到的ηDid之間的比值,按增阻分數(shù)ΔR/Rid(以理想條件的Rid為分母)繪圖。變負荷系數(shù)ξP是使用最小二乘法對數(shù)據(jù)點進行擬合得到的通過(0,1)點的線性曲線的斜率,如圖1 所示。

      圖1 使用最小二乘法擬合ηDms/ηDid 與ΔR/Rid 曲線得到ξP 的示例Fig. 1 Example of the approximate ηDms/ηDid -ΔR/Rid curve fitted by the least squares method

      2.3 變負荷系數(shù)ξn 的獲取方法

      將對螺旋槳軸轉(zhuǎn)速的影響Δn/nid按ΔPD/PDid(以理想條件的nid和PDid為分母)繪圖。變負荷系數(shù)ξn是使用最小二乘法對數(shù)據(jù)點進行擬合得到的通過(0,0)點的線性曲線的斜率,如圖2 所示。

      圖2 使用最小二乘法擬合Δn/nid 與ΔPD/PDid 曲線得到ξn 的示例Fig. 2 Example of the approximate Δn/nid - ΔPD/PDid curve fitted by the least squares method

      圖3 負荷變化和航速對螺旋槳軸轉(zhuǎn)速的影響的示例Fig. 3 Example of the effect of load variation and ship's speed on propeller shaft speed

      2.4 變負荷系數(shù)ξV 的獲取方法

      變負荷試驗得到的螺旋槳轉(zhuǎn)速n隨阻力Rid+ΔR線性變化。首先將變負荷試驗得到的螺旋槳轉(zhuǎn)速n按阻力Rid+ΔR的繪圖。假定所有航速下的n與(Rid+ΔR)的關(guān)系線都相互平行且通過靜水自航試驗獲得的數(shù)據(jù)點(Rid,n)。這些具有恒定阻力的線的交點給出了螺旋槳轉(zhuǎn)速與航速的關(guān)系。變負荷系數(shù)ξV是使用最小二乘法擬合得到的Δn/n-ΔV/V曲線的斜率。

      3 變負荷系數(shù)對實船航速修正的影響分析

      為評估變負荷系數(shù)對實船航速修正結(jié)果的影響,基于某型散貨船7 艘系列船的實船測速試驗數(shù)據(jù),使用變負荷系數(shù)參考值以及根據(jù)船模試驗計算得到的變負荷系數(shù)值進行航速修正,并對結(jié)果進行比較。

      3.1 系列船的試航環(huán)境條件

      該型散貨船7 艘系列船均在壓載狀態(tài)下開展測速試航。試航時的環(huán)境條件狀態(tài)如表1 所示。

      表1 系列船的試航環(huán)境條件Tab. 1 Sea trial environmental conditions of series ships

      3.2 用于分析的變負荷系數(shù)值

      該型散貨船在挪威海事技術(shù)研究所(MARINTEK)和中國船舶科學研究中心(CSSRC)均開展了船模試驗。2 家水池單位均提供了變負荷系數(shù)。因此,本次分析基于2 家水池單位提供的變負荷系數(shù)值以及參考值(即ξP= 0,ξn= 0.20,ξV= -0.33)開展。用于分析的變負荷系數(shù)值如表2 所示。

      表2 用于分析的變負荷系數(shù)值Tab. 2 The values of load variation coefficients for analysis

      3.3 變負荷系數(shù)對實船航速修正的影響分析

      根據(jù)ISO 15016:2015,采用表2 所列的3 組變負荷系數(shù)值,對該型散貨船7 艘系列船進行了實船航速修正,得到了修正后的船舶EEDI 參考航速。為了評估變負荷系數(shù)對實船航速修正的影響,首先計算使用不同變負荷系數(shù)進行航速修正后的航速修正量,即

      式中:VS為船舶實測航速,kn;Vref為使用不同來源的變負荷系數(shù)進行航速修正后得到的船舶EEDI 參考航速,kn;ΔV表示使用不同來源的變負荷系數(shù)進行航速修正后的航速修正量,kn。

      將船模水池試驗獲得的變負荷系數(shù)對應(yīng)的航速修正量與變負荷系數(shù)參考值對應(yīng)的航速修正量相減,得到兩者之間的航速修正偏差,即

      式中:ΔVref為使用變負荷系數(shù)參考值進行航速修正后的航速修正量,kn;ΔVref_ModelTest為使用船模試驗獲得的變負荷系數(shù)進行航速修正后的航速修正量,kn;σ為使用船模試驗獲得的變負荷系數(shù)和使用變負荷系數(shù)參考值得到的航速修正量之間的偏差,kn。

      表3 為該型散貨船7 艘系列船使用不同來源的變負荷系數(shù)進行航速修正后對應(yīng)的航速修正偏差。

      表3 使用不同變負荷系數(shù)對應(yīng)的航速修正偏差Tab. 3 Correction deviation of speed using different load variation coefficients

      由表3 可知,使用MARINTEK 提供的變負荷系數(shù),與使用CSSRC 提供的變負荷系數(shù),最終航速修正結(jié)果一致。而7 艘船使用船模水池試驗得到的變負荷系數(shù)進行航速修正后,與使用變負荷系數(shù)參考值得到的修正結(jié)果相比,航速修正量的偏差在0~0.13 kn。從變負荷系數(shù)的內(nèi)涵考慮,造成航速修正量偏差的來源,應(yīng)該是7 艘船的試航海況不同。因此,進一步分析了使用水池試驗得到的變負荷系數(shù)與使用變負荷系數(shù)參考值進行航速修正后對應(yīng)的航速修正偏差,與以風浪和涌浪的合成波高為表征的海況之間的關(guān)聯(lián)性,如表4和圖4 所示。

      表4 計及海況影響的變負荷系數(shù)對實船航速修正的影響Tab. 4 Influence of load variation coefficients on correction of ship trial speed with considering the effects of sea conditions

      圖4 變負荷系數(shù)對實船航速修正的影響程度與海況之間的關(guān)聯(lián)性Fig. 4 Correlation between the influence level of load variation coefficients on speed correction and sea state

      通過以上分析,可得出如下結(jié)論:

      1)對該型散貨船7 艘系列船的計算結(jié)果表明,使用水池試驗得到的變負荷系數(shù)進行航速修正后,與使用變負荷系數(shù)參考值的修正結(jié)果相比,航速修正量的偏差在0~0.13 kn;

      2)使用水池試驗得到的變負荷系數(shù)進行航速修正,與使用變負荷系數(shù)參考值得到的航速修正結(jié)果相比,海況越惡劣,最終航速修正量的偏差越大。當海況低于3 級時,兩者修正后得到的EEDI 參考航速基本一致。

      4 結(jié) 語

      針對ISO 15016:2015 提供的直接功率法中的3 個關(guān)鍵參數(shù)——變負荷系數(shù)ξP,ξn,ξV,基于某型散貨船7 艘系列船的實船測速試驗數(shù)據(jù),分析了變負荷系數(shù)對實船航速修正結(jié)果的影響。使用水池試驗獲得的變負荷系數(shù)進行航速修正,與使用變負荷系數(shù)參考值相比,航速修正量能提高0~0.13 kn。而且,試驗時的海況越惡劣,兩者之間的航速修正量的偏差越大;當試驗海況在3 級及以下時,兩者之間的航速修正量偏差很小。因此,建議在開展實船EEDI 測速試航時,盡可能使用水池試驗獲得的變負荷系數(shù)進行試航航速修正,以獲得更準確的航速修正結(jié)果。

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