智能船舶背景下动态纵倾优化系统的应用研究
纵倾优化在船舶节能方面的作用已在行业内所熟知,纵倾优化系统的实施不需要降低船舶装货量,不需要降低航速,因此是一种易于实施和效果显著的船舶节能方案.目前行业内大多数的厂家通过利用设计单位提供的CFD或者船模拖曳试验数据,提供了计算最优纵倾值的功能.但这在船舶的实际航行过程中,还存在很大的不足,无论船模拖曳数据的取得还是航行前纵倾的调整都是在静水状态下进行的,其局限性在于无法考虑船舶实时的动态和天气条件的影响,同时无法剔除船体和螺旋桨积垢等因素对性能的影响.因此本文提出了船舶动态纵倾优化的概念,通过收集船舶实时状态数据对其进行分析,得到最优纵倾数值,并加入岸基支持,通过对数据的持续收集、筛选、分析以不断提高最优纵倾的精度.船舶航行期间主要受到水阻力和空气阻力影响，其中水阻力影响最大小与排水量，航速和浮态有关。因此船舶在装载量和船速一定的情况下，船舶水阻力的大改变纵倾必然导致船舶水阻力的改变。研究证明，船舶在不同吃水，不同航速下均有一个最佳纵倾与之对应。纵倾优化系统是在这一理论基础上实现船舶降阻节能的功能。根据纵倾优化系统提供功能的不同程度，可分为以下三个层次:利用船模水池实验或者CFD计算，如下图，得到不同吃水，不同纵倾，不同航速下的螺旋桨功率，一般要求测试100到120个点的数据，涵盖实船的航行状态范围，在得到优化纵倾值的基础上，与装载计算机软件相结合(数据接口)，通过设定边界条件，如稳性、强度、浮态等指标，利用多元插值算法和遗传算法得到实现该纵倾的多个压载水或货物配载方案，使推荐的方案满足船舶浮态，稳性，强度，以及船员设定的其他要求。本功能的使用是在航行前基于船舶实际的装载和计划的航速，确定最优纵倾和压载水调配方案。同时根据主机参数，可换算得到燃油日消耗量和相较于未优化前日燃油节省量。下图为国外软件的应用示范，前两个功能层次称为静态纵倾优化，无论是基础数据的取得和航行前的纵倾调整均是在静水状态下进行的。其存在一定的局限性，首先船舶的实际航速和吃水并不一定总在纵倾图谱范围内，在利用插值计算时，其前提是原值之间是成线性关系的，但这种假设并非总是正确的。其次静态纵倾优化无法考虑船舶在实际航行时的动态影响因素，例如航速、风、海况等都会对纵倾产生的影响。船员只是知道出发前的准确吃水，但在航行时实际的纵倾角度和静态的纵倾角度相差会发生比较大的变化。结合以上功能原理介绍以及智能船舶相关规范，动态纵倾优化系统需要具有以下功能要求:动态纵倾优化系统，结合配载仪配载功能，能够计算船舶各种装载工况下的最优纵倾状态，动态纵倾优化系统，可根据船舶初始装载和目标优化纵倾，通过系统软件的遗传算法，提供基于纵倾优化的最佳货物或压载水配载方案，动态纵倾优化系统包括纵倾性能数据库，航行数据采集装置，以及可进行纵倾寻优的分析系统，通过船模水池试验或CFD计算构建的静态纵倾数据库，应能够覆盖船舶实际运营中所包含的装载工况。
船舶 纵倾角度 优化系统 压载水 航行速度
苗川 林嘉昊 孙淼 房广富
上海中船船舶设计技术国家工程研究中心有限公司
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2016-07-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）