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海洋工程

在某一海上航道上的船舶失速评估和关联的二氧化碳排放的估算。

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于2011.03.22收到

于2012.01.14接收

主编：A.I.Incecik

于2012.02.11后可在网上获得

摘要：

从经济和环境方面来看，一个对于船舶在真实的海况中可获得的的船速的预测是非常重要的。对于估算船舶在温和海况和恶劣海况中的可获得船速的一个方法论已被提出。不规则波可当作一系列规则的有着不同振幅和频率的波来处理。

在规则波中的附加阻力要么用一个直接的压力积分方法获得，要么用一个小波长渐进线公式来获得。在恶劣海况下，螺旋桨的水流进出和空气流通的作用由不同的螺旋桨浸没的实验数据的拟定常的均值来解释。船舶推进对规则波的作用被用来模拟作用在不规则波上。研究表明对更高级的海况来说，这个作用对波浪中的失速要比对波浪中的附加阻力影响更大。失速的计算考虑到了引擎和螺旋桨的在实际海况上的性能以及船舶的质量惯性。可获得船速按时间序列的到。失速和海况的关联机制允许在真实海况的推进性能预测。一艘集装箱船在北大西洋北航线的预期二氧化碳排放量被评估。

1. 介绍

船舶在实际天气状况中的性能是当前船舶设计者、船主以及船舶驾驶员主要关心的事物之一。每个人都有他们自己关注的因素。从设计者的立场来看，船舶设计研究所的竞争已经刺激了更多的船舶性能精确评估的努力。船员们想要一艘又快又安全，有着良好的实际性能的船舶。而在另一方面，船主则以达到在给定条件和限制下，可能达到的最高收益为目标。在这个层面来说，高级别海况下可获得船速的精确计算，从经济和环境角度来看是非常重要的。一个可靠的失速计算保证了一个更加精确的功率的增加、船舶燃油消耗以及油气排放的预测。紧随上升着的船舶环境意识和人的健康意识，国家级别和全球级别的立法行动已经展开。国际上，船舶排放被国际海事组织（IMO）限制。当前关于船舶空气污染的法规已经在MARPOL公约中被涉及，并且在2005年5月强制实行，但是并没有包含有效的关于温室气体排放的法规。如今，这个问题由于全球变暖而变得非常重要。国际海事组织的海洋环境保护委员会（MEPC）表明：由于全球货运的增加，船舶排放的二氧化碳和其他温室气体正在上升至一个警戒水平，要求立刻采取措施来避免和减少污染。在全球航运中很多有兴趣的人员正努力去减少海船的空气污染，为将来可能颁布的政策做准备。但是在最近的经济衰退下，这个过程令人忧虑。尽管由于经济危机造成的更低的经济活动会减少二氧化碳的排放，但从长远来看，低碳能源解决方法的资金枯竭很可能会对二氧化碳排放有着更加巨大的不利作用。

建立强制制度去控制国际船舶的温室气体排放的过程，在国际海事组织关于船舶温室气体排放的工作组织的第一次会议期间进行。（该会议于2008年6月23日至27日期间在挪威的奥斯陆开展）会议上分派了发展以科技为基础的降底排放的途径的任务，这可能会形成未来国际海事组织控制国际船舶温室气体排放制度的一部分。除了建立全球船用燃油税的征收体制来达到降低温室气体排放的目的，还有其他短期的考虑更远的措施，包括：有关燃油消耗的提升及其他能源方式的使用，自愿的或强制的要求报道二氧化碳指数值，船速降低和提升交通管控的措施，提升管理、货物处理操作和能源效能。而被工作组织确认并被委员会提倡的为了长期发展的长期措施包括：船舶设计的科技措施、可选择的燃油的使用、新船的二氧化碳指数、一个单一的二氧化碳操作指数限制联合对不服从规定的处罚措施。

MEPC已经考虑到：排放指数极其详细地表达了船舶设计的温室气体效能。公认的基本原则就是排放指数表达了花费和产生利益的比率，这被称为运输工作生产力。船舶能效设计指数（EEDI）反映了船舶在规定条件下与标称运输工作率相关的二氧化碳排放量。船舶能效营运指数则（EEOI）更多的和营运效率有关。不同于船舶能效设计指数，船舶能效营运指数随着营运情况改变。因此，船舶能效营运指数会根据一段航行的每个航段来计算并按移动平均数或定期报道。最近，MEPC考虑到说明那些指数作为强制措施，可能作为MAROL防止船舶空气污染公约的修正案。它们将应用于的船舶的类型和规格也应该取得一致意见。这些指数的单位是克每英里，这里的“能力”是和船舶设计运输货物有关的运输能力的一种表达。对大多数的船舶而言，能力将会以载重吨位表达。

船舶能效设计指数正在发展为确定给定的船舶设计将多么有效的降低排放的一种定义。在这方面的提升的一个重要的方面仍旧处于基于船舶在实际海况中的性能的船体优化阶段。在过去的几年里，研究者们和设计者们在静水中最佳船体的发展上做出了重大的努力。因此认为提升船体性能没有多少剩余的可能性是合理的。然而，国际海事组织在2000年在挪威海洋工程研究中心（MARINTEK）的现代实验中获得的经验表明：在规则中20%的功率降低，会由于相应的船首或船尾的较小改变而提升。因此，对于功率储备的船体的优秀设计仍然有很大的潜力。这些措施能有效地和其他几种营运措施联合，(例如天气规则和航线计划)，来确保燃油消耗和船舶温室气体排放在每次航行中最小化。

我们一直专注于形成一个可靠的估算船舶在温和海况和恶劣海况中的可获得的船速的方法。在高级别海况中，船舶常遭受非常强烈的环境外力并因此受到几种其他影响它的速度的动力作用。相应的垂直运动会变得非常显著然后结果就是螺旋桨运行得离海面太近甚至周期性的飞出水面。在这些情况下，螺旋桨将会表现得和在静水或小型海中不一样。因为这些现象非常难以用数值方式解决，所以我们通过用可获得的实验数据建立推力损失模型来努力去获得这一作用。在规则波中的附加阻力计算，可通过在不可忽视的船舶运动的波长范围内的直接压力积分方式和小波长渐近线公式来得到。不规则波则近似按不规则波的时间分解为一系列的规则波部分。然后这些数值被用于完成规则波的计算。对静水阻力，附加阻力和波浪中的推理损失的影响做出解释，一定引擎转矩下的可获得船速通过对船舶质量惯性做出解释得到。经过我们记录的在特定海况下船速的时间痕迹。根据对特定海况下平均速度的计算，海上二氧化碳排放的上升能够被估计。空气阻力的作用和船舶操纵的影响目前还不包括在内，但是在未来应该会被考虑在内。

1. 船体阻力计算

静水阻力可以根据霍尔托普和曼宁的方法来计算，这个方法是在船舶初步设计阶段广泛使用的近似过程，基于随机模型试验的回归分析和全面的数据，可在荷兰模型基地获得，

船舶在波浪中的一定波长范围内的运动的附加阻力的计算通过直接的压力积分过程实现。这个方法是为了船舶在任何波浪方向的规则波作用下附加阻力，横向漂移力和偏航力矩的计算而形成的，是和时间有关的线性速度势函数，在我们的实例中通过切片理论来计算。当波长和船长玻璃小于0.5，由福尔廷森发表的渐进的表达将被使用。

1. 螺旋桨水流进出作用和空气流通

在极端情况下，螺旋桨在一个非常不利的环境下工作而且由于空气流通和水流进出作用而产生的附加动力负载会变得很严重。如果一个螺旋桨运行时离海面太近，叶片产生的局部低压会吸引空气到水下然后造成空气流通效应。当船舶在猛浪中运行并伴随着剧烈的船体运动病造成相应的高振幅的螺旋桨运动，或者当船舶在空载情况下或巨大的纵倾下运行时，船舶更可能产生空气流通效应。

在这个调查研究中，水流进出对推理数值的作用被粗略的近似为在恶劣海况下由于空气流通效应和螺旋桨盘面损失的推力损失。一个打开的螺旋桨的空气流通推力损失模型被斯摩格里所提议，它是一个相对轴速度比和静水中螺旋桨相对沉没度的函数。这个模型适用于时域模拟且推力损失数值实际上可以通过轴速度和相对沉没度的任意组合来得到。推力损失系数值可以通过简化实验结果估算。开放水面测试的结果由斯摩格里于2006年在挪威科技大学的海洋控制实验室完成，并被用于这种情况。对一个遭遇周期取平均值得到一个准定的时间，接着被用于考虑规则波的作用。规则波的结果被用于模拟不规则波的结果。

被福尔廷森讨论的波浪对尾涡的作用和推力减额因素被忽视掉。伴随着螺旋桨浸没而改变的螺旋桨转矩不在考虑范围内。

1. 主动减速

当船舶遭遇到暴风雨或者巨浪的时候，船长可能会主动降低船速来避免严重后果。在船舶，船员或是货物受到过度运动的危及的情况下，他（或她）决定放慢速度。在大多数情况下，这种抓狂和砰击，过度加速和螺旋桨飞车有关。在特殊情况下船长做出的决定是非常主观的，很大程度的依赖评估潜在危险的经验和技能。因此，在巨浪中我们很难去预测船长的决定，但是我们可以假定一些通常的行为。然而此时此刻，计算是大量不确定因素的源头，且最终结果很大程度上取决于在船长主动降低船速时，我们用作标准的有限的值。有很多处理这类问题的作家且有一篇短片综述可以在福尔廷森和斯文森以及沃尼中找到。

曾经这些标准和有限的数值被选用时，船长如何该如何降低速度的问题被提了出来。一些船长趋向于立刻降低相当多的速度来尽可能快速的打到一个非常低的速度（大概10节）。二其他的船长会简单的一步一步的降低速度并观察船舶的表现。重申一遍，这是一个非常主观的决定且只有一些通常行为会被考虑在内。

引擎动力是计算的重要的一部分。例如：根据船长的指令引擎会如何做出反应？Maftei在2009年提出了一个足够精确但不够复杂，且能够简单应用的一个模型。然而，在这种情况下，引擎被假定能够立刻对船长的指令作出反应。

1. 在不规则波中的速度估计

这个项目被提出用于在图1中五大主要航线组成的海区中的船速估算。不规则波被模拟为特殊的海况。

因为推进系数取决于波浪，所以不规则波可以当作一系诶列有着不同振幅和频率的规则波来处理。这个过程被福尔廷森在1980年提出并继续进行下去。从选择的海浪谱中，可以得到特殊海况的时域波迹，这个时间序列能够通过零上（或零下）切点被分解为规则波。在两个零上切点之间的时间呗当作波期且这期间内的两个最大值之间的一半距离被当作波幅。用这种方式得到的波浪要素在耐波性计算中被当作规则波。在这种方式下左中可以得到船速随时间的缓慢变化。在这个分析报告中用到了ITTC谱但过程允许用任何时域波浪谱或任何海浪模拟。速度损失考虑进引擎和螺旋桨实际性能中计算。船速的平均值可以用特殊海况中的平均值得到。

相应的船体运动在1970年由萨尔维森，塔克和福尔廷森计算。附加阻力的计算则由福尔廷森在1980年提出的压力积分方式和他们的小波长公式来解决。

瞬时船速则根据沃尼在1976（沃尼和梅杰1980）提出的考虑到水流进出对船舶推进作用以及质量惯性的作用的方法计算。定常力条件被假定。经书阻力通过沃尼在2000年提出的方式计算。对柴油机来说，大多数人认为它的转矩在负载提升时保持不变。在实际中，和假定有一些偏差。不过就速度计算的实际用途而言，这个假定似乎足够精确了。螺旋桨所需推力和几种速度下的旋转次数的关系可通过用B系列船后螺旋桨转矩要素和一个伴流分数来获得。敞水螺旋桨要素则可通过沃尼在2000发表的方式用奥斯特维尔德和范奥萨南方法得到。引擎提供的转矩和专属的关系可以从引擎要素和轴系损失计算。在任何特殊的规则波中的可持续速度可从“船体惯性平衡，计算总阻力，计算在给定条件下考虑到推力减额部分的需求推力和计算由于水流进出作用的损失率”来计算。在一个波浪周期内的外力平衡的时间模拟已经用四阶龙格库塔法求解。

推力减额数值作为一个相应轴速度和相应沉深比的函数，可以从斯摩格里再006年使用的已知实验数据建立的简单的空气流通推力损失模型来估算。再确认模型之后，这个作用可以用已知的螺旋桨飞车和轴系旋转数来估算。

图二展示了在相应运动Ar和振幅下，由于空气流通和盘面损失作用的推力减额因数的平均值与特定转数比n/npp的关系。以一个直径为5.6m，六个也普安的固定螺距螺旋桨为例。

对S-175的计算已经完成。船舶的主要参数已经在表1中给出。

图1 计算方案

图2 空气流通推力损失模型

表1

S-175号集装箱船的主要要素

垂线间长 175.0m

型宽 25.4m

设计吃水 9.5m

干舷 7.0m

排水量 24272t

图3 有义波高为5.0m的海况下的船舶速度谱

图4 顶头浪波峰中的不同海况下的船舶速度谱

图5不同海况下平均船速的结果

图6 新的实现几种波的方法的到的平均船速

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资料编号：[3710]</p