一种船用气泡减阻系统节能效果实船测试评估方法与流程

1.本发明涉及船舶节能系统设计技术领域，特别是涉及一种船用气泡减阻系统节能效果实船测试评估方法。


背景技术：

2.全球碳排放管制日趋严格，imo制定了航运减排目标，到2050年，co2排放量要减少 50％，在2100年之前，实现零碳排放。为了实现该目标，航运业加紧了针对航运船舶排放标准制定进程，不仅对新造船提出了eedi能效设计指标，并对营运船提出了eexi能效指标概念，鼓励船舶采用切实有效的节能减排措施来逐步满足碳中和的目标。各种各样型式的船舶节能装置涌现市场，其中气泡减阻技术经过多年研发逐步推向市场，并受到越来越多船东的青睐，但受限于标准缺失、效果评估以及成本等方面影响，很难在实船应用过程中给出统一评估方法。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明在不增加额外成本的基础上，利用船舶在设计过程中已有的技术条件，包括专用软件、关键技术参数、模型实验报告、数据测量程序以及后期修正方法等，结合气泡减阻系统运行特点，分别从前期预报、实测指导以及后期修正提供一种船用气泡减阻系统节能效果实船测试评估方法，该方法可以应用于所有安装气泡减阻系统的节能效果测试评估。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种船用气泡减阻系统节能效果实船测试评估方法，包括以下步骤：
5.对气泡减阻节能效果进行前期预算，具体为：
6.s1、计算船体阻力变化；
7.s1.1、计算气泡减阻系统开启前船体阻力r
t
；
8.s1.2、计算气泡减阻系统开启后船体阻力的变化
△
r
t
；
9.s1.3、计算气泡减阻系统开启时船体阻力r
ta
；
10.s2、计算推进效率变化；
11.s2.1、计算螺旋桨推力t；
12.s2.2、计算气泡减阻系统开启状态下的推进效率η
da
；
13.s3、节能效果计算；
14.s3.1、计算气泡减阻系统开启状态下的功率p
sa
；
15.s3.2、计算推进主机能耗节省
△
f
me
；
16.s3.3、计算气泡减阻系统关闭状态下发电机能耗f
ge
；
17.s3.4、计算气泡减阻系统能耗
△
f
ge
；
18.s3.5、计算气泡减阻系统节能效果nsv；
19.f
me
为气泡减阻系统关闭状态下的主机能耗。
20.作为优选的技术方案，ρ表示水密度，v表示航速，s表示船体湿表面积，c
t
表示总阻力系数；c
t
＝c
r
+c
f
+c
a
；c
r
表示剩余阻力系数，c
f
表示摩擦阻力系数，c
a
为阻力补贴系数；s
b
为气泡覆盖船体面积，a％为摩擦阻力占总阻力的比例系数，a％可以由以下两种方法计算得到：
21.方法1、摩擦阻力系数和总阻力系数通过cfd软件直接计算阻力获取。
22.方法2、摩擦阻力系数c
f
通过公式获取，其中r
n
为雷诺数, l为船长，ν为粘性系数，总阻力系数c
t
通过模型试验直接获取。
23.b％为气泡减阻系统开启后摩擦阻力变化比例系数，c
fb
为气泡覆盖船体面积摩擦阻力系数，c
fb
‑
als
为加装气泡减阻系统后的气泡覆盖船体面积摩擦阻力系数；r
ta
＝r
t
‑△
r
t
，r
ta
为气泡减阻开启时船体阻力。c
fb
和c
fb
‑
als
可以基于平板理论，通过cfd软件直接计算平板在无气泡和有气泡下的阻力，得到c
fb
和c
fb
‑
als
。
24.作为优选的技术方案，r
ta
＝r
t
‑△
r
t
；t
s
为推力减额分数，t
s
由cfd计算直接获得或者由模型试验获取；η
da
＝η
oa
*η
ha
*η
r
；η
oa
为螺旋桨敞水效率，η
ha
为船体效率，η
r
为螺旋桨相对旋转效率。η
r
可直接由模型试验获取，或者 cfd计算获取。根据螺旋桨敞水特性曲线，计算获得曲线，计算安装气泡减阻系统后对应航速下的值；
25.k
t
为推力系数，j为螺旋桨进速系数，ρ为水的密度，d为螺旋桨直径，v
a
为螺旋桨进速，v
a
＝v*(1
‑
w
ts
)；w
ts
为实尺度下的伴流分数，根据ittc计算方法 (1978ittc 7.5
‑
02
‑
03
‑
01.4)获取或模型试验获取；根据曲线，差值计算航速v对应的j、k
t
、k
q
。
26.作为优选的技术方案，p
ea
＝r
ta
*v；
△
f
me
＝f
me
‑
f
mea
；f
me
为气泡减阻系统关闭状态下的主机能耗，f
mea
为气泡减阻系统开启状态下的主机能耗； f
ge
＝p
ge
×
s
ge
；p
ge
为气泡减阻系统关闭状态发电机消耗功率，s
ge
为气泡减阻关闭状态发电机单位能耗；
△
f
ge
＝p
a
×
s
gea
；p
a
为气泡减阻系统消耗功率，s
gea
为气泡减阻开启状态发电机单位能耗。
27.作为优选的技术方案，对气泡减阻节能效果进行前期预算后，还包括：实船测试，具体为：
28.(1)测试前准备；包括以下步骤：设备校准、确定试航海域、确定海况、确定船舶状状态。
29.(2)设置测试程序及数据记录；包括以下步骤：
30.(2.1)保持正向航向，连续记录气泡减阻系统关闭与气泡减阻系统开启两种模式，记录数据；反向行驶，在同一测速段，记录对应的气泡减阻系统关闭与气泡减阻系统开启两种模式，记录数据；
31.(2.2)保持正向航向，连续记录气泡减阻系统开启与气泡减阻系统关闭两种模式，记录数据；反向行驶，在同一测速段，记录对应的气泡减阻系统开启与气泡减阻系统关闭两种模式，记录数据。
32.作为优选的技术方案，实船测试后，还包括：实船数据修正，具体为：
33.步骤1、将实船测速数据与实船功率数据修正到无风、无浪的理想状态；
34.步骤2、将修正后的实船功率数据与实船测速数据采用平均功率比率法进行联动光顺修正；
35.步骤3、通过实船数据计算气泡减阻系统节能效果nsv’。
36.作为优选的技术方案，所述步骤2包括：
37.通过实船功率与实船航速比率图，应用平均功率比率法计算气泡减阻系统开启状态下的推进功率，具体为：
38.计算所有航速测量点气泡减阻系统开启状态下与气泡减阻系统关闭状态下的推进功率比率值平均
[0039][0040]
α
n
为对应第n个航速测速点气泡减阻系统开启状态下与气泡减阻系统关闭状态下推进功率的比率值；p
asn
为低第n个测速点气泡减阻系统开启状态下的功率；p
sn
为第n个航速测量点气泡减阻系统关闭状态下的功率；为所有航速测量点气泡减阻系统开启状态下与气泡减阻系统关闭状态下的推进功率比率值平均；
[0041]
作为优选的技术方案，所述步骤3包括：
[0042]
步骤3.1、计算气泡减阻系统开启后的推进功率p
′
asn
；
[0043][0044]
步骤3.2、根据对气泡减阻节能效果进行前期预算中的方法，计算第n个测速点对应的
△
f
men
、
△
f
gen
、f
men
、f
gen
，
[0045]
作为优选的技术方案，气泡减阻系统包括空气压缩机、膨胀接头、滤器及气泡释放装置，空气压缩机通过膨胀接头连接气泡释放装置，气泡释放装置与空气压缩机之间设置
有滤器，膨胀接头与滤器之间、滤器与气泡释放装置之间设置有控制阀。其原理是利用空气与水在密度和黏度上的差异，向船体底部或水线以下外板浸水面注入适量空气，在船舶底部或水线以下外板形成并保持气液混合层或气层，改变流体局部有效的粘度和密度，从而改变局部湍流的雷诺数，实现减小船舶摩擦阻力的系统。
[0046]
如上所述，本发明具有以下有益效果：本发明的方法可以应用于所有安装气泡减阻系统的节能效果测试评估，不仅有效地缩减了实船测试时间，还降低了测试成本，能够有效地评估气泡减阻系统在实船上应用后的节能效果。
附图说明
[0047]
图1显示为本发明船用气泡减阻系统节能效果实船测试评估方法的流程图。
[0048]
图2显示为本发明船用气泡减阻系统的结构示意图。
[0049]
图3显示为本发明实船测试方法的流程图之一。
[0050]
图4显示为本发明实船测试方法的流程图之二。
[0051]
图5显示为本发明实船测试数据的修正流程图。
[0052]
图6显示为实测功率与实测航速的比率图。
[0053]
其中，附图标记具体说明如下：空气压缩机1、膨胀接头2、滤器3、气泡释放装置4、控制阀5。
具体实施方式
[0054]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0055]
请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0056]
请参阅图1，本发明提供一种船用气泡减阻系统节能效果实船测试评估方法，该方法包括三个部分，具体为：对气泡减阻节能效果进行前期预算、实船测试、实船数据修正，三个部分可以组合使用，也可以单独使用。对气泡减阻节能效果进行前期预算目的是在船舶安装应用气泡减阻系统前对该系统的效果进行预报的方法；实船测试用于指导实船测量气泡减阻系统节能效果的一种方法；实船数据修正指的是船舶完成气泡减阻系统节能效果测试后，用于排除、修正海况等影响的节能效果理论评估修正方法。
[0057]
请参阅图2，气泡减阻系统包括空气压缩机1、膨胀接头2、滤器3及气泡释放装置4，空气压缩机1通过膨胀接头2连接气泡释放装置4，气泡释放装置4与空气压缩机1之间设置有滤器3，膨胀接头2与滤器3之间、滤器3与气泡释放装置4之间设置有控制阀5。其原理是利用空气与水在密度和黏度上的差异，向船体底部或水线以下外板浸水面注入适量空气，在船舶底部或水线以下外板形成并保持气液混合层或气层，改变流体局部有效的粘度和密
(1978ittc 7.5
‑
02
‑
03
‑
01.4)获取或模型试验获取；根据曲线，差值计算航速v对应的j、k
t
、k
q
。
[0070]
s3、节能效果计算；
[0071]
s3.1、计算气泡减阻系统开启状态下的功率p
sa
；p
ea
＝r
ta
*v；
[0072]
s3.2、计算推进主机能耗节省
△
f
me
；
△
f
me
＝f
me
‑
f
mea
；f
me
为气泡减阻系统关闭状态下的主机能耗，f
mea
为气泡减阻系统开启状态下的主机能耗；
[0073]
s3.3、计算气泡减阻系统关闭状态下发电机能耗f
ge
；f
ge
＝p
ge
×
s
ge
；p
ge
为气泡减阻系统关闭状态发电机消耗功率，s
ge
为气泡减阻关闭状态发电机单位能耗；
[0074]
s3.4、计算气泡减阻系统能耗
△
f
ge
；
△
f
ge
＝p
a
×
s
gea
；p
a
为气泡减阻系统消耗功率， s
gea
为气泡减阻开启状态发电机单位能耗；
[0075]
s3.5、计算气泡减阻系统节能效果nsv；
[0076]
f
me
为气泡减阻系统关闭状态下的主机能耗。
[0077]
实船测试，具体为：
[0078]
(1)测试前准备；包括但不限于以下步骤：设备校准(风速仪、轴马力仪、功率表、吃水遥测、磁罗经以及测深仪等)、确定试航海域，校核水深条件、确定海况(风、浪、流等)、确定船舶状态(吃水、纵倾以及排水量等)。
[0079]
(2)设置测试程序及数据记录；包括以下步骤：
[0080]
(2.1)保持正向航向，连续记录气泡减阻系统关闭与气泡减阻系统开启两种模式，记录数据；反向行驶，在同一测速段，记录对应的气泡减阻系统关闭与气泡减阻系统开启两种模式，记录数据；如图3，每一次测试过程包括：
①
航向调整及航速稳定段；
②
测试记录段(气泡减阻系统关闭)；
③
气泡减阻设置段；
④
测试记录段(气泡减阻系统开启)；
⑤
航向调整及航速稳定段；
⑥
测试记录段(气泡减阻系统开启)；
⑦
气泡减阻设置段；
⑧
测试记录段(气泡减阻系统关闭)
⑨
航向调整及航速稳定段。
[0081]
(2.2)保持正向航向，连续记录气泡减阻系统开启与气泡减阻系统关闭两种模式，记录数据；反向行驶，在同一测速段，记录对应的气泡减阻系统开启与气泡减阻系统关闭两种模式，记录数据。如图4，每一次测试过程包括：
①
航向调整及航速稳定段；
④
测试记录段(气泡减阻开启)；
③
气泡减阻设置段；
②
测试记录段(气泡减阻关闭)；
⑤
航向调整及航速稳定段；
⑧
测试记录段(气泡减阻关闭)
⑦
气泡减阻设置段；
⑥
测试记录段(气泡减阻开启)；
⑨
航向调整及航速稳定段。
[0082]
实船数据修正，具体为：
[0083]
步骤1、实船测速数据需要通过对风、浪、流、海水温度及密度、水深、排水量等数据按照iso 15016修正方法进行推进功率与航速修正到无风、无浪的理想状态。如图5所示。
[0084]
步骤2、如图6所示，将修正后的实船功率数据与实船测速数据采用平均功率比率法进行联动光顺修正；通过实船功率与实船航速比率图，应用平均功率比率法计算气泡减阻系统开启状态下的推进功率，具体为：计算所有航速测量点气泡减阻系统开启状态下与
气泡减阻系统关闭状态下的推进功率比率值平均
[0085][0086]
α
n
为对应第n个航速测速点气泡减阻系统开启状态下与气泡减阻系统关闭状态下推进功率的比率值；p
asn
为低第n个测速点气泡减阻系统开启状态下的功率；p
sn
为第n个航速测量点气泡减阻系统关闭状态下的功率；为所有航速测量点气泡减阻系统开启状态下与气泡减阻系统关闭状态下的推进功率比率值平均。
[0087]
步骤3、计算气泡减阻系统开启后的推进功率p
′
asn
；
[0088][0089]
根据对气泡减阻节能效果进行前期预算中的方法，计算第n个测速点对应的
△
f
men
、
△
f
gen
、f
men
、f
gen
。
[0090]
通过实船数据计算气泡减阻系统节能效果nsv’；
[0091]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。