◎ 夏辉煌 武汉理工船舶股份有限公司

船舶运输是交通运输的重要环节，全球约80%以上的货物运输必须经过船舶运输。与陆路运输和航空运输相比，航道运输在安全性、经济性、环保性等方面具有突出优势。船舶能效是衡量船舶能源利用率的主要指标，船舶运行期间主机所提供的动力一方面用于克服船舶阻力，另一方面用于弥补船舶动力系统内摩擦所致的能量损失，所以其燃油消耗量远高于船舶自身航行方面的需求[1]。船舶航行所消耗的能量在其总能量消耗量中仅占21.5%。可见，通过科学研究，降低因通航环境阻力和动力系统摩擦所致能量损耗，提升船舶能效，对于我国航运事业的可持续发展意义重大。

1.环境因素对船体阻力的影响

1.1 风对船体阻力的影响

在通航环境下，风向及风力等级均不尽相同。国际上通常采用Beaufort风力等级划分表描述通航环境下风力等级。具体见表1。一般情况下，当风力等级超出6级后，海面波浪波高可达5.5m及以上，船舶无法展开正常通航作业。为此，本文主要针对6级及以下的风力等级展开分析；为便于研究，将0～6级风力等级下风速均值分别确定为0kn、2kn、5kn、9kn、14kn、19kn、25kn。

表1 Beaufort风力等级划分表

船舶航行期间，风力主要影响水面上层部分船舶的阻力，也就是空气阻力，其取值主要与空气密度、风向、相对风速等有关，可按下式[2]计算：

式（1）中：Ra为空气阻力，为风力前进向受到船舶阻隔后产生的分力；Ca为空气阻力系数，客船在0.45～0.70之间取值，货船则在0.70～0.95之间取值，渔船在0.70～0.80之间取值，综合考虑目标船舶规模及运行航速，其空气阻力系数取0.80；ρa为空气密度（kg/m³），取1.228kg/m³；Sa为船舶水线以上的正横投影面积（m2），目标船舶满载情况下水线以上正横投影面积为835m2；Va为风与船舶的相对速度（m/s）。

当风速取0kn、2kn、5kn、9kn、14kn、19kn、25kn且风向角取0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°时计算风阻，将计算结果导入Origin绘图软件绘制不同风向角下风速、船舶航行速度与风阻的关系图。由此可知：①在风速既定且风力和船舶航行反方向时，船体承受的风阻随航行速度的增大而增大；而在风力和船舶航行同向时，航速越小，船舶越容易产生前进推力[3]。②当航速既定且风力与船舶航行反方向时，船体承受的风阻随航行速度的增大而增大；而当风力和船舶航行同向时，风速越高，船舶承受的阻力越小，甚至会对船体产生随风速增大而增大的推力，推动船舶前行。③就风向角对船体阻力的影响而言，因不同风向角对应的正横截面不尽相同，故风向角的改变必将造成风阻变化。通过分析不同风速、航速与风阻的关系看出，当风向角<90°时，船舶所承受的风阻随航行速度及风速的增大而增大；而当风向角=90°时，应无横风的影响，船舶前进向也无分力产生，故船舶承受的风阻随航行速度的增大而增大；当风向角>90°时，风速越快，船体越易于受到风力推动，且这种推动效果在航速越小时越明显。

1.2 波浪对船体阻力的影响

波浪的产生主要是风力的作用，故波浪特征值与风力条件存在密切关系。波浪参数也可通过Beaufort风力等级划分表而得出，在0～12级风力等级下，海浪波高均值分别为0m、0.1m、0.4m、0.8m、1.5m、2.0m、3.5m、4.5m、6.0m、8.5m、10.5m、13.5m及至少14.0m；海浪波高最大值分别为0m、0.1m、0.3m、1.0m、1.5m、2.5m、4.0m、5.5m、7.5m、10.0m、12.5m、16.0m及至少20.0m。

为保证计算精度，选用Daidola等人通过水池模型试验数据得出的波浪干扰力模型计算波浪对船体阻力的影响程度[4]，公式如下：

M.Olagnon等人根据雷达记录数据所得出的具体海域不同海况下最大波浪波陡在时间域st和空间域st内的分布趋势，具体见图1。图中空间域和时间域之间的函数关系为S1=0.650St+0.704。由图可知，所在海域波陡分布于0～14%之间，且波陡超出10%后的记录数据逐渐减少。考虑到波高和波长间无明确的直接关系，故本研究主要分析海浪波高和波向角对波浪增阻的影响。相应的，选取图中波陡5%的密集范围中间值的波浪展开不同风级波浪类型计算，并将计算结果代入式（2）后求得不同波浪浪高和波向角下的波浪增阻值，结果见表2。

图1 最大波浪波陡分布趋势图

表2 不同风级波浪波长及试试验系数计算结果

根据进一步分析，在波向角<90°时，波浪增阻值随波浪浪高的增大而增大；在波向角≥90°后，波浪会对船舶产生推力，该推力值随波浪浪高的增大而增大，对船舶前行起到推进作用。

2.船舶推进效率仿真分析

船舶推进系统由船舶主机、螺旋桨、传动系统、轴系等构成，根据各系统之间的能量传递关系，通过AMESim系统对船舶能效展开仿真分析，以得出不同通航环境下的船舶主机能效。

2.1 仿真计算

结合船舶通航运行环境，设置风浪方向角、风力等级、船舶航行速度等参数值，对船舶推进系统展开仿真分析。航速设定为12kn，风力等级取2级，风浪方向角取0°。根据仿真结果，在初始时刻，向船舶施加达到目标航行速度所对应的阻力，借助推进系统达到船舶－螺旋桨之间的匹配，实际航行速度也与目标航速接近，螺旋桨推力与船体阻力平衡。船舶航行速度从负转正并达到平衡状态约耗时50s。主机转速及输出功率均从0开始增大，并在推进系统所需功率及转速时达到稳定。此时所对应的功率值即为相应通航环境下所产生和损耗的能量值。

根据前述分析结果，船体所承受的阻力随风浪方向角的增大而减小，也就是说当风浪方向角取0°时，船舶主机所提供的功率达到最大。对此时的船舶航行状态展开仿真，得出平衡状态下船舶主机转速和功率的对应关系，据此绘制主机转速－功率关系图见图2，将船舶系统运行所需要的转速－功率值与主机所能提供的转速－功率值展开对比分析可知，船舶主机可以提供几乎全部工况下推进系统所需的功率，仅风力等级为6级时的极个别工况无法提供系统运行所需功率。

图2 转速－功率关系图

在船舶航行速度较低且主机转速较低的情况下，主机只能提供维持船舶正常运行所需的功率；随着主机转速的提高，其已经无法提供达到目标航速的功率，如果继续航行，必然造成主机损伤及船舶运行故障。

2.2 推进系统的推进效率

结合仿真结果，绘制推进系统推进效率随着风浪方向角、风力等级、航行速度变动的趋势图，据此可知，当风浪方向角取0°时，船舶航行速度位于4～14kn之间，风力等级则在0～6级之间变化。在风力等级既定且位于5级以下时，船舶推进效率随航速的增大而增大，直至航速增至13～14kn后，推进效率不增反降。此外，在船舶航行速度既定时，随风浪方向角的变化，船舶推进效率的变化幅度不超出1%。

3.船舶航速优化

船舶航行期间，航速的确定必须考虑诸多方面。航行速度越快，运输时间越短，但船舶耗油量和二氧化碳排放量也随之增大。为确定最优航速，必须寻求使船舶能效最高且油耗、运行成本、船舶主机能效指数最低的方案。

进一步分析表明，在0级风、0°风浪方向角时，当船舶航行速度达到13.2kn时，船舶推进效率最高，船舶主机能效指数较低，为此，本文以13.2kn为基于通航环境影响的目标船舶最优航速。

在6级风、0°风浪方向角时，随着航行速度的加快，船舶推进效率呈快速增大趋势，而船舶主机能效指数先降后升。当航行速度达到12.6kn时推进效率最高，而船舶主机能效指数最低。为此，以12.6kn为该通航环境影响下的目标船舶最优航速。然而，结合船舶运行实际，在6级风力条件下，航行速度若超出12kn，则会面临船舶主机无法提供充足功率且主机能效运营指数升高的情形，为此，在通航环境下遭遇6级风力时，建议调整航行路线；本文分析中也暂不考虑6级风力。

通过以上方法依次计算不同工况下船舶最优航行速度，计算过程中，风力等级为0～5级，风浪方向角在0～180°之间变化。根据分析结果，最优航行速度位于13.16～13.45kn之间，且风力等级越大，风浪方向角越小，航行速度波动也越剧烈。在以上最优航速范围内运行时船舶能效最高，且船舶主机能效运营指数较低。

4.结论

综上所述，船舶航行速度与能效受到诸多因素的影响，结合Beaufort风力等级及风阻力计算公式得出不同风力作用下船舶所承受的风力增阻值，为不同风向角下船舶航行速度、风速及风向关系的确定提供了科学基础。通过对船舶推进系统组成及能量传递关系的仿真分析，得出的不同风力等级、风浪方向角及航行速度下船舶主机输出功率和轴系传动效率的变化趋势，为复杂通航环境下船舶航速优化提供了可靠依据。