全浪向波浪增阻预报新方法在实船试航中的应用研究_王金宝.pdf

53王金宝，等：全浪向波浪增阻预报新方法在实船试航中的应用研究2023年第3期总第204 期总 体 与 结 构全浪向波浪增阻预报新方法在实船 试航中的应用研究王金宝1,2 马 翔1 冯 毅1 熊小青1,2（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 2 0 0 0 1 1；2.上海市船舶工程重点实验室 上海 2 0 0 0 1 1）摘 要：波浪增阻的正确预报对实船的功率修正具有重要影响，需要恰当消除才能准确评价约定功率下的航速是否达到要求。2022 年 12 月召开的 MEPC 79 会议正式将 ITTC 2021 版“实船航速测试分析规程”确定为法定规程，该规程引入了全浪向波浪增阻预报方法 SNNM，弥补了现有波浪增阻预报方法的局限。该文重点研究了周期、浪向、波谱以及 RAO 曲线形状等因素对 SNNM 预报方法的影响，可用于指导实船试航的功率修正。关键词：全浪向；波浪增阻预报新方法；实船试航；应用研究中图分类号：U661.3 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.053Application of New Method for Predicting Added Resistance of Ships in Waves of Arbitrary Heading During Sea TrialWANG Jinbao1,2 MA Xiang1 FENG Yi1 XIONG Xiaoqing1,2(1.Marine Design&Research Institute of China,Shanghai 200011,China；2.Shanghai Key Laboratory of Ship Engineering,Shanghai 200011,China)Abstract:The accurate prediction of the added resistance in waves has an important impact on the power correction of the full-scale ship,and it needs to be properly eliminated to accurately evaluate whether the speed at the agreed power meets the requirements.The MEPC 79 meeting held in December 2022 officially recognized the ITTC 2021 version of the“Preparation,Conduct and Analysis of Speed/Power Trials”as a statutory procedure,and the SNNM method for the prediction of the added resistance of ships in waves of arbitrary heading was introduced to fill the gap of current prediction methods.The influences of the period,wave direction,wave spectrum and the shape of RAO curve on the SNNM method have been examined in detail for the power correction in sea trials.Keywords:waves of arbitrary heading;new method for predicting added resistance in waves;sea trial;application收稿日期：2023-01-05；修回日期：2023-02-01作者简介：王金宝（1969-），男，博士，研究员/博士生导师。研究方向：基于 CFD 和模型试验的船舶航速预报及实船测试验证。马 翔（1981-），男，本科，高级工程师。研究方向：实船性能测试验证和节能技术开发。冯 毅（1982-），男，硕士，研究员。研究方向：船舶快速性及程序实现。熊小青（1982-），男，本科，研究员。研究方向：船舶快速性。0 引 言实船试航约定的状态通常为无风、无浪、无流、深水等条件下的理想状态，但实际航速功率测试往往在一定的风、浪、流等非理想状态下进行，故需对实船测试数据进行科学合理地修正。为此，国际拖曳水池会议（international towing tank conference,ITTC）应 国 际 海 事 组 织（international maritime organization,54IMO）所属的海事环保委员会（marine environment protection committee，MEPC）要求，2011年成立了“实 船航行性能”委员会，专门开展有关实船测试规程的制定/修订工作。该委员会经过坚持不懈的努力，先后完成了实船测试分析规程 2014/2017/2021 版1-4，并分别被 MEPC 68/73/79 次会议于 2015 年、2018 年和 2022 年确定为与 ISO 15016：2015 并列的法定规程5-7。本文简要回顾 ITTC 2021 版取得的重要技术进步，重点研究影响全浪向波浪增阻预报新方法（SHOPERA-NTUA-NTU-MARIC,SNNM）的主要因素及其变化趋势，服务实船试航功率修正。1 ITTC 2021 版亮点概述与实船测试规程 ITTC 2017 版相比，ITTC 2021版在波浪修正方法、浅水修正方法、姊妹船增加往返次数的要求等方面具有显著变化，主要改进如 表 1 所示，详见文献 8。表 1 ITTC 2021 版对 ITTC 2017 版的主要改进主要改进项ITTC 2017 版ITTC 2021 版波浪增阻修正方法STA 法（前进方向 45 范围），NMRI 法（全浪向，需要型线）新增 SNNM 法，无需型线，适用于全浪向和所有船型，船长范围 75 400 m浅水修正方法Lackenby 法、Raven 法只保留 Raven 法；只修正功率，不再对速度进行修正浅水下限2max 2,2VshBTg|=2max 2.5,2.4VshTg|=浅水上限2max 3,2.75VshBTg|=取消，保持修正数值的连续性姊妹船增加往返 次数的条件单次往返流速变化超过 0.2 kn（不能及时发现，不具有操作性）与首制船相差 0.3 kn，并且流速修正采用荷兰的“平均法”其中，SNNM 法为 ITTC 2021 版新增方法，也是新版规程最大的亮点，得到 ITTC 顾问委员会高度评价。该方法系本院与雅典国立科技大学、新加坡南洋理工大学长期紧密合作的结果，并在开发、验证及进入 ITTC 规程的过程中，得到了国内外同行的大力支持。2 波浪增阻响应幅值算子预报方法ITTC 2021 版预报波浪增阻响应幅值算子（response amplitude operator,RAO）的 方 法 包 含STA1 法、STA2 法、SNNM 法、NMRI 法和模型试验法这 5 种方法，同时给出了每种预报方法的详细计算公式4。SNNM 法的引入有效解决了浪向范围受限以及使用不方便等问题。与浪向范围限制在 45 内的 STA1 法和 STA2 法相比，SNNM 法适用于全浪向和具有初始纵倾的状态，且输入参数与STA2 法相当（见表 2）。表 2 SNNM 法与 STA 法的输入参数比较输入参数预报方法STA1STA2SNNM垂线间长 Lpp/m型宽 B/m艏吃水 TF/m艉吃水 TA/m方形系数 CB纵向回转半径与 Lpp之比 Kyy0.25试航状态对应 0.99B 的 进流段长度 LE/m试航状态对应 0.99B 的 去流段长度 LR/m试航状态对应 0.95B 的 进流段长度 LBWL/m55王金宝，等：全浪向波浪增阻预报新方法在实船试航中的应用研究2023年第3期总第204 期总 体 与 结 构与 NMRI 法相比，SNNM 法无需水线面和横剖面曲线，应用更加方便。因此，该方法在 ITTC 实船航行性能委员会充分验证后9，经过 ITTC 顾问委员会的投票，以高票赞成顺利进入 ITTC 2021 实船测试分析规程，有关过程详见文献 10。部分船型参数如图 1 与图 2 所示，ITTC 2021 版中不同RAO 预报方法的优缺点、适用范围及预报精度分别见表 3 和图 3。（a）STA1 法 （b）SNNM 法图 1 部分参数示意图 （a）横剖面形状 （b）水线面形状图 2 日本 NMRI 法所需输入参数示意图表 3 ITTC 2021 版不同 RAO 预报方法比较方 法优 点缺 点STA1使用方便仅限于非常小的纵摇和升沉运动，限制在与航向 45范围内，不考虑初始纵倾、速度和波浪周期的影响STA2使用方便不能考虑初始纵倾影响；限制在与航向 45 以内并假设 RAO 在0 45 内相同；不考虑角分布函数，仅适用于长峰波SNNM易于使用且精度高、无需型线、适用于所有浪向短波中的上翘趋势尚未得到充分验证，尽管理论、数值模拟和模型试验中的部分案例已经显示出这种趋势NMRI当有水线面和横截面曲线时，精度更高前处理时间长，许可需要申请水池试验当有型线和船模时最为可靠试验时间长、对水池要求高、能够开展全浪向的水池少图 3 不同预报方法适用范围及预报精度比较可见，综合考虑预报精度、适用范围、使用方便和试验成本等因素，SNNM 法是 RAO 预报的首选方法。3 不同波浪增阻预报方法比较除了 STA1 法预报波浪增阻无需波浪谱外，ITTC 2021 推荐的 STA2 法、SNNM 法、NMRI 法和模型试验法预报波浪增阻均是 RAO 与波浪谱的结合。对于波浪谱，ITTC 2021优先采用测量的波浪谱，若波谱没有测量，则推荐使用标准波浪谱 Pierson-Moskowitz（简称 P-M）谱。当然，其他波浪谱（如56Jonswap 谱，简称 J-S 谱）只要有公开参考文献支持也可以使用。对于测量的波谱及标准的波浪谱与不同 RAO 预报方法的组合，允许的最大波高及浪向适用范围如表 4 所示。表 4 ITTC 2021 版不同 RAO 预报方法与 波浪谱组合的适用范围方 法浪向适用范围测量波浪谱标准波浪谱STA1-45 45无需波谱，波高上限 2.25X无需波谱，波高上限 1.5XSTA22.25X1.5XSNNM全浪向NMRI水池试验表 4 中：pp0.15XL=，Lpp为垂线间长；0表示迎浪。本节分别以大型箱船、KVLCC2 和散货船为对象，采用相同的P-M谱，分析不同预报方法（STA1/STA2/SNNM）对波浪阻力增加的影响。不同船型的主要参数如表 5 所示。表 5 不同船型的主要参数主要参数大型箱船KVLCC2散货船垂线间长/m386320183型宽/m58.65832.26艏吃水/m4.520.85.1艉吃水/m10.720.87.1初始纵倾角/（）0.92 0.0 0.63 航速/kn23.015.515静水阻力/kN2 9451 770634最大目测允许波高/m2.95 2.68 2.03 本文采用波高/m2为了更加直观地反映波浪增阻对功率的影响，本文采用无因次的平均波浪增阻比例，即相同航速下平均波浪增阻与静水阻力的比值，而平均波浪增阻主要考虑了不同频率的贡献；对 P-M 谱，还进一步考虑了不同浪向的综合贡献。3.1 不同方法对大型箱船波浪增阻预报的影响图 4 为大型箱船在压载吃水和迎浪下，采用不同 RAO 预报方法获得的平均波浪增阻比例随平均周期变化的趋势。图 4 大型箱船在迎浪下，不同预报方法比较由图 4 可见，对于 STA1 法，由于不考虑周期的变化，因此平均波阻增加是条平直线。8 s 以