一种船用气泡减阻系统的实时节能效果方法与流程

本发明属于船舶建造及设计领域，具体涉及一种船用气泡减阻系统的实时节能效果方法。

背景技术：

1、气泡减阻技术是通过向船体底部持续注入空气，以形成并保持一定的气层，进而减小船舶航行时的阻力，实现节能降耗的一种船舶创新节能减排技术。

2、关于气泡减阻系统节能效果的评估，现有技术方案多关注于其在船舶能效设计指数(eedi)计算过程中的贡献程度测算。而气泡减阻系统本身作为船舶实际航行过程中的常开系统，其往往工作于非eedi考核工况，此时的节能情况即需要综合各类环境条件和系统运行情况以进行实时测算。但现阶段针对气泡减阻系统的实时节能效果计算尚无可靠的技术方法。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种船用气泡减阻系统的实时节能效果方法，其所采用的技术方案是：

2、一种船用气泡减阻系统的实时节能效果方法，具体方法如下：

3、s1：监测气泡减阻系统处于正常运行状态时的船舶航行及环境实时数据，具体包括：船舶对地航速vs，主机功率pe，排水量δ，艏吃水tf，艉吃水ta，相对风速aws，相对风向awa，水深dp，浪高hwave，涌高hswell，流速vc，流向dc，海水温度tem_w，海水密度ρs，气温tem_a，气压p_a，空气密度ρa；

4、s2：以步骤s1中获取到的气泡减阻系统处于正常运行状态下的航行及环境实时数据作为计算输入，得到船舶在此环境条件下，不开启气泡减阻系统时的航速vscorr及功率pecorr，具体方法如下：

5、s2.1：通过静水船模试验得到加装气泡减阻系统船舶在无风、无浪、无流、无限水深状态下，分别处于设计吃水、结构吃水及压载吃水时的不同对地航速vs_idi和对应的主机功率pe_idi，(i＝1,2,…,n)，即加装气泡减阻系统船舶处于理想状态时的航速功率特性；

6、s2.2：将步骤s1中得到的气泡减阻系统处于正常运行状态时的环境风、浪、涌、海水温度、密度、排水量参数换算为，相较于加装气泡减阻系统船舶处于理想状态时主机功率的增加或减小值δp，计算公式如下：

7、

8、式中，ηdid是所述加装气泡减阻系统船舶处于理想状态时在当前吃水和航速vs下的推进效率系数，

9、ξp为载荷系数，均可通过静水船模试验获得，

10、δr为由环境风引起的阻力raa，浪、涌引起的阻力rwl，海水温度、密度引起的阻力ras以及排水量引起的阻力radis之和：

11、δr＝raa+rwl+ras+radis

12、其中，由环境风引起的阻力raa计算公式如下：

13、

14、式中，axv是述加装气泡减阻系统船舶水线以上包括上层建筑的横向投影面积，

15、caa·(awa)和caa(0)分别为相对风向为0度和awa时的阻力系数；

16、由浪、涌引起的阻力rwl计算公式如下：

17、

18、式中，g为重力加速度，

19、b为所述加装气泡减阻系统船舶型宽，

20、lbwl为所述加装气泡减阻系统船舶船首至吃水线最大宽度95％的距离，

21、h1/3为有义波高：

22、由环境海水温度、密度引起的阻力ras计算公式如下：

23、

24、

25、

26、式中，ρs0为标准状态下的海水密度，标准状态为水温为15℃，密度为1026kg/m3，

27、rt0为参考状态下的总阻力，

28、rf为所述加装气泡减阻系统船舶当前状态下的摩擦阻力，

29、s为所述加装气泡减阻系统船舶湿表面面积，

30、ct0为标准状态下的总阻力系数，

31、cf0为标准状态下的摩擦阻力系数，

32、cf为所述加装气泡减阻系统船舶当前状态下的摩擦阻力系数，

33、ct0，cf0，cf可通过静水船模试验获得；

34、由排水量引起的阻力radis计算公式如下：

35、

36、式中，δ0为静水船模试验中设计吃水、结构吃水及压载吃水所对应的排水量中与加装气泡减阻系统船舶当前排水量δ最为接近的排水量，

37、rt0为加装气泡减阻系统船舶在上述吃水下的总阻力，可通过静水船模试验获得；

38、(3)将s1中得到的气泡减阻系统处于正常运行状态时的流速、流向、水深参数换算为，相较于加装气泡减阻系统船舶处于理想状态时对地航速的增加或减小值δv，计算公式如下：

39、δv＝δvc+δvd

40、其中，由流速、流向引起的对地航速增加或减小值δvc计算如下：

41、将流速vc及流向dc沿船舶航行方向进行矢量分解，得到流速vc沿所述加装气泡减阻系统船舶航行方向的分量vcx和垂直于航行方向的分量vcy，

42、其中，vcx为流速及流向引起的额对地航速增加或减少值，δvc＝vcx；

43、由水深引起的对地航速增加或减小值δvd计算如下：

44、按照如下公式计算水深修正阈值h：

45、

46、如水深dp大于修正阈值h，则水深对于对地航速无影响，即δvd＝0，

47、如水深dp小于修正阈值h，则需对由水深引起的对地航速增加或减少值进行计算，计算公式为：

48、

49、式中，am为所述加装气泡减阻系统船舶中剖面水线以下部分的面积，

50、将加装气泡减阻系统船舶处于与步骤s1中监测到的相同环境条件下，且不开启气泡减阻系统时的航速vscorr及功率pecorr计算如下：

51、vscorr＝vs+δv

52、pecorr＝pe+δp；

53、s3：计算得到气泡减阻系统运行所需的实时能量消耗，至少包含：开启和维持气泡层所需的空压机的所有能量消耗pair，系统监测和控制单元产生的所有能量消耗pctrl，随后将上述能量消耗等效转化为主机功率当量值psump，

54、

55、式中，sfcge为所述加装气泡减阻系统船舶发电机额定功率对应的油耗，

56、sfcme为加装气泡减阻系统船舶发电机在功率为pe时的油耗；

57、s4：以步骤s2中s2.1中得到的加装气泡减阻系统船舶处于理想状态时的航速功率特性为基准值，以步骤s2中(4)中计算得到的相同环境条件下的航速vscorr及功率pecorr为特征值，并采用最小二乘法对基准值进行修正，得到所述加装气泡减阻系统船舶在步骤s1中所监测的环境条件下，气泡减阻系统处于关闭时的航速功率特性vs_offi-pe_offi，(i＝1,2,…,n)；

58、随后以上述航速功率特性vs_offi-pe_offi为待插值数据，以步骤s1中监测到的vs为插值点坐标，应用样条曲线插值方法插值得到所述加装气泡减阻系统船舶航速为vs时的主机功率pe_int；此时，扣除步骤s3得到的气泡减阻系统的实时当量能耗psump即可得到气泡减阻系统的实时节能效果psave，

59、psave＝pe_int-pe-psump。

60、上述一种船用气泡减阻系统的实时节能效果方法，更近一步地，步骤s2.2中，caa·(awa)和caa(0)可通过sta-jip数据库获取。

61、上述一种船用气泡减阻系统的实时节能效果方法，更近一步地，步骤s2中，ct0、cf、cf0、rt0、ηdid、ξp可通过船模试验获得。

62、本发明能够有效应用于取得实船应用的气泡减阻系统的节能效果实时计算，建立的环境参数修正方法有效消除了环境条件对于计算结果的影响，保证了计算结果的可靠性。整套计算方法操作简单，计算效率高，具有良好的经济性。经实船应用验证，本发明建立的气泡减阻系统的节能效果实时计算方法具有较高的准确性，能够可靠地应用于任何安装气泡减阻系统的船舶。