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船舶航行时的能效评估在船舶模拟器上的应用

关键词：船舶能效 模拟 Matlab Simulink

摘要：全球贸易的增长推动了船舶规模和数量的增长。然而，这种需求的增加导致船舶航运对空气更多的污染。这个系统是先进的设计师和运营商提出和采用的一种新奇的动力和推进系统。然而，从使用某一新型的技术或者改变船舶的运营状况来评估实际利益是一个挑战，但是这个可以通过数值模拟来解决。本文提出了一个在MATLAB / Simulink中实现的时域一自由度船舶模拟器，使设计人员能够预测航行中船舶推进系统的性能。

设计出的模拟器用于评估海事组织提出的三种不同的EEDI和SEEMP措施对提高船舶推进系统效率的有效性，包括航行执行，减速航行，多点混合的推进方式在燃料电池上应用的概念。

开发的模拟器可以用于进一步的研究，更多的元素被几环添加到船舶模拟器中，使其更通用，并且能够测试更多的推进配置选项。

1 引言

近年来的大量研究集中在提高船舶的燃油效率，以降低燃油消耗和排放。 根据联合国贸易和发展会议（贸发会议），世界贸易量的80％以上是由航运来处理的。 贸易量的增长推动了全球船舶规模和数量的增长。

因此，航运的能源需求正在增长，这导致了船舶排放温室气体的量升高。在国际海事组织的一项研究估算出的二氧化碳排放量中，运输占了全球二氧化碳排放量的3.3%和大约20%的全球NOx的排放量。此外，和其他运输方式相比，船舶由于船舶燃料的高硫含量所以拥有更高的二氧化硫的排放量。

为了控制船舶问世气体，国际海事组织在排放控制方面采用严格的国际排放标准来控制NOx, SOx, and PM 的排放。在非洲经委会中，船舶必须使用硫含量低于0.1%的燃料，这增加了船舶在这些地区工作的燃料成本。关于二氧化碳排放，国际海事组织公布了一系列结束和操作来给俄这些船舶使用。这些措施在2013年生效。能源设计指标是对所有400吨以上的不同船舶类型和尺寸的新船舶强制要求的能源效率的最低限度。此外，所有船舶都需要船舶能源效率管理计划，之是提高船舶能源效率的操作工具。

为了达到所需要的能源效率水平，船舶设计人员和建造商可以采用EEDI和SEEMP最合适的成本效益技术。而且，有必要从使用某些技术和改变船舶的运行状况来评估好处，并研究其对船舶性能的影响，这都可以通过数值模拟进行。

在这个工作中，提出了一个具有一个自由度的时域船舶模拟器，它能够在预测船舶性能时考虑到天气条件和水动力。这个模拟器是基于其中所述船体，螺旋桨和船舶推进系统的主要部分是由单独的子模型表示，并在MATLAB / Simulink环境中实现的积木模块化方法。

开发的船舶模拟器已经被用于测试两种SEEMP措施的有效性：46803DWT双油箱的航行执行和减速航行。使用燃料电池的混合电力概念的另一个EEDI措施是使用开发的海岸供应船（OSV）模拟器进行测试。此外，该模拟器还可以修改和改进，以用于评估其他EEDI和SEEMP措施，例如：优化船体的尺寸，废热回收，发动机效率增强和减少的辅助动力测量。

2船舶模拟器

表示该船舶部件的数学方程可以使用块MATLAB/Simulink环境的图形表示的的编程来实现。 从图1可以看出，每个块代表系统的一个部件，如螺旋桨或电网。 输入块负责提供有关任务和船舶的数据，例如：所需速度（V），路线天气，船舶尺寸及其形式系数。这些数据将会用于计算船舶的平静耐水性（R），由于风和波浪引起的附加阻力，船舶的流体力学系数和附加质量。接下来，这些力与螺旋桨产生的推力平衡，以计算船舶的实际速度并将这个实际速度与设定速度相比较后通过PID控制器来控制螺旋桨的速度。

图1：MATLAB / Simulink环境中的船舶模拟器总体实现

螺旋桨所需的动力由功率块提供，可以是二冲程或四冲程柴油发动机发电厂或由燃料电池混合动力系统供电的电动机。 在以下部分中，将详细讨论每个块。

2.1输入数据块

为了执行模拟，用户只需使用新数据编辑输入信息并提供给模型。 然后，输入值将自动馈送到适当的输出端口，并将在模拟器的其他块之间传递。 所需的输入数据包含有关船舶，航行和周围环境的信息，如表1所示。

表1：船舶模拟器所需的输入

此外，输入数据块使得用户能够在两种建模方法中选择，通过使用预先设定的发动机速度形式或通过预先设定船速然后模拟器计算所需功率。

2.2静水阻力块

用于预测船舶阻力的基本方法可以分为实验经验/统计学和数值方法。对于本研究，为了预测船舶的平静耐水性，采用包含回归分析方程的数学模型，因为它们可以直接在模拟环境中实现。

在应用范围，出版日期和编程方便的基础上，由于相对现代的数据库，适用范围广泛，所以选择了霍林巴赫的方法，与Holtrop-Mennen方法相比需要较少的输入参数， 因此在早期的设计阶段更为适合。

2.3附加阻力块

由于航行持续时间和消耗功率的不利影响，风力和波浪的附加阻力的预测对船舶推进系统的设计是非常重要的。 增加的阻力可以使用风洞和推进模型试验或理论上使用船体压力法，动量和能量法或辐射能法

为了预测在早期设计阶段由于增加的阻力引起的速度损失，使用简单的近似公式有助于估计船上天气的影响。 该模拟器采用的公式由Aertssen提出，他们对船舶性能数据进行了回归分析，以估计由风引起的速度损失百分比，从他对全尺度船舶性能的分析得出的波动如公式1所示

（1）

其中m和n随天气方向而变化，而Beaufort数和LPP是垂直之间船舶的长度。 速度损失将被用来估计增加的阻力根据公式2。

(2)

在使用Aertsssen公式计算长度为200 m的集装箱船的速度损失的情况下，增加了阻力块的验证，添加的阻力块得到与表2相同的结果。

表2：附加阻力块的验证

2.4船舶动力块

这个模块负责代表船尾与推进器之间的相互作用，就尾流分数和推力推算而言，船体与周围环境之间的相互作用在增加质量方面。 在这项工作中，只有船舶浪涌增加量用于考虑船舶纵向加速度引起的流体动力，并使用Oltmann半经验方程作为船体系数和位移的函数。

船舶流体动力学模块的输出还包括平均尾流（w）和推力减除（t），其估计具有根本重要性，因为它有螺旋桨推力，应与螺旋桨速度，直径和功率一起确定。 在初步设计阶段，关于船舶的详细信息不可用。 所以回归方程是适合使用的。 对于单螺杆船，英国船舶研究协会（BSRA）公式被选择用于计算尾流和推力扣除。 对于双螺杆船，使用泰勒公式12计算尾流分数，推力推算根据Holtrop和Mennen公式计算。

2.5螺旋桨块

推进器块使用先前估计的尾流比例，推力推算，船速，螺旋桨速度和关于螺旋桨的数据作为输入来估计所产生的推力（TP）和扭矩（QP），其根据以下等式计算，作为无量纲推力KT和扭矩系数KQ，水密度rho;和螺旋桨直径Dp如下

其中无量纲推力和扭矩系数根据螺旋桨前进比J的函数计算，使用以下关于瓦赫宁根B型螺杆系列的近似方程式，

其中系数a，b，c和d s值取决于螺旋桨的叶片面积比和螺距比

2.6动力平衡和速度控制模块

将推进器块的所得推力与船舶的总阻力进行比较，以考虑船舶的浪涌纵向加速度

使用公式5从该加速度得到流体动力。

将加速度进行积分，以计算当前的速度，然后将其与包含标准PID控制器的速度控制器块中的所需速度进行比较，该PID控制器生成所需的螺旋桨转速作为馈送到电源块。选择PID控制器是因为其简单性，参数的少数要调谐，并且已经在反馈控制系统中成功使用。

2.7电源块

电源块是灵活的，可以方便地测试不同的功率，包括二冲程柴油发动机，四冲程柴油发动机，燃料电池和电池。 功率块的主要输入是螺旋桨转矩和转速。 传递函数模型用于建模二冲程和四冲程柴油发动机，因为发动机扭矩是开发的模拟器中唯一的要求。 对于二冲程柴油发动机，使用如公式6所示的由Bondarenko [14]开发的船用柴油机数学模型。

其中，和是最大连续额定值下的发动机转矩Q，燃料流量hp和转速n的值。

对于四冲程柴油机，使用以下传动公式

其中Y是燃料指数，K是增益常数，T是时间常数。 柴油发动机动力学的第二部分描述了旋转运动和扭矩平衡轴如公式8所示

其中Im是旋转部件的惯性，包括螺旋桨和水的附加惯性，ns是轴速度，Qeng是发动机转矩，Qp是螺旋桨转矩，Qf是摩擦转矩。 此外，在这项工作中，燃料电池和电池的Simulink [1的SimPowerSystems工具箱中包含的通用模型用于开发的模拟器，以模拟燃料电池和电池的性能。 因此，开发的电源块是可行的，可用于测试不同的电力系统配置，包括柴油机械，柴油电动和燃料电池/电池混合推进，如图2所示。

1. 二冲程柴油机动力系统

（b）四冲程柴油机动力系统

（c）并联混合推进系统

（d）混合推进系统

图2：机械船舶推进系统

3案例研究

3.1船舶数据

在第二次IMO温室气体研究中，油罐船类别燃料消耗最高[2]。 因此，采用单螺杆46803 DWT双壳油轮，利用表3列出的主要尺寸和数据的二冲程柴油发动机，研究海事组织提出的航行执行和缓慢蒸汽措施。 在南安普顿大学为这艘船开发了一个1/60的自由运行模式，通过实验工作来研究油罐车的效率改进方法，包括裸船试验，自行推进试验和护柱拉力试验。 裸体船体牵引罐测试[17]用于验证开发的阻力块，如图3所示，其中使用Froude传统方法来扩展模型阻力结果。

图3：霍伦巴赫阻力方法的验证

使用燃料电池的混合动力和推进概念是本研究中研究的第三个措施，因为在混合动力推进中使用燃料电池将提高能源效率，解决短期，中期和长期的排放问题，不同于仅在短期和中期内实现的SEEMP措施。 选择使用两台4冲程柴油发动机的双螺杆海上供应船（OSV），其主要尺寸和数据列于表4中，因为本研究由于其运行效率高，低速运行的比例高 使OSV最大限度地利用电动推进系统。

3.2船舶航行模拟

对于船舶的模拟设计，从自动识别系统（AIS）数据库中提取了两条真正航程的数据，其中包括船速和在船舶航行期间位置。 根据AIS的保存任务数据，假定了一个预先设定的船速和螺旋桨速度。 此外，从全球预报系统（GFS）数据库中提取了与两个检查任务相对应的真实天气条件，并对模拟进行了一个输入。

表3：油船的规格