內河船舶能效評估軟件開發(fā)范文

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［摘要］

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展和能效指數概念的推行，迫切需要研發(fā)一種計算軟件來快速評估船舶能效。文中采用修正的艾亞法進行船舶有效功率估算、基于圖譜法進行螺旋槳的設計及推進性能計算、進行船舶航速預報及能效評估，并基于C++開發(fā)平臺，開發(fā)了內河船舶航速預報及能效評估軟件。結果表明，該軟件使用方便、運算快速，具有良好的實用性。

［關鍵詞］

內河船舶；航速；能效；軟件

IMO在2011年7月召開的MEPC62會議上以MEPC.203（62）決議通過MARPOL附則VI修正案，引入船舶能效規(guī)定，使船舶的能效設計指數（EEDI）相關要求成為強制性，該修正案已于2013年1月1日生效實施［1-2］。對內河船舶而言，2012年7月1日起生效的《內河運輸船舶標準船型指標體系》對燃料消耗和CO2排放提出了強制性要求［3］。2014年12月24日公布的《內河運輸船舶標準化管理規(guī)定》對新船準入提出了指標體系強制性指標要求［4］。此后的船舶初始設計階段，船舶能效評估是不可避免的一步［5］。與海船相比，內河航運附加值低、內河船舶設計費用少，在設計階段進行船模水池試驗的船舶很少，在設計階段如何快速準確地進行航速預報是船舶能效評估的關鍵。本文采用修正的艾亞法進行船舶阻力估算、基于圖譜法進行螺旋槳的設計及推進性能計算，進而實現(xiàn)船舶航速的預報與能效評估，開發(fā)了內河船舶航速預報及能效評估軟件。

1軟件概述

VisualC++是微軟公司推出的面向對象的可視化集成編程系統(tǒng)。它具有程序框架自動生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設計集成交互操作、可開發(fā)多種程序等優(yōu)點，通過簡單的設置就可使其生成的程序框架支持數據庫接口，可以高效、快速地開發(fā)在Windows環(huán)境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統(tǒng)［6-7］。內河船舶航速預報及能效評估軟件主要具有阻力估算、螺旋槳設計及推進性能計算、機槳工況匹配、航速預報、能效評估等功能，圖1為軟件的界面。該軟件基于VisualC++開發(fā)平臺，將具有各種獨立功能的程序集成在一起而實現(xiàn)。軟件的主要功能如下：（1）基于修正的艾亞法進行船舶有效功率估算［8］；（2）利用經驗公式計算推進因子，基于圖譜法進行螺旋槳設計及推進性能計算；（3）利用船舶有效功率曲線、螺旋槳推進曲線與主機特性，進行機槳工況匹配與航速預報；（4）根據能效指標計算公式進行計算，并與相關能效標準進行比較［9］。圖1軟件界面

2軟件設計與算法

2.1軟件結構圖軟件的結構如下頁圖2所示。初始參數輸入函數實現(xiàn)船舶、螺旋槳、主機等參數的輸入，函數提供有兩種方式供用戶選擇。一種是在各計算模塊界面輸入，只需要輸入單獨使用該模塊功能的參數；一種 是采用文本文件導入的形式，按照設定的文件格式編輯初始參數數據，這樣能夠在文件中給定多艘船舶的數據，進行批量化計算。阻力計算模塊中采用的算法是修正艾亞法，是基于內河船船模試驗數據對艾亞法進行修正的方法，詳見第2.3節(jié)。對于能夠通過其他方法獲得船舶阻力的，諸如船模試驗、CFD計算等，界面中提供數據導入接口，用戶可以導入已知阻力數據進行螺旋槳設計及航速計算。由于內河船舶的螺旋槳基本是圖譜槳，故螺旋槳設計模塊基于圖譜法可完成螺旋槳的初始設計和終結設計，接著利用推進計算函數完成螺旋槳的Kt、Kq、η0的計算。對于已有螺旋槳的，可跳過設計階段，通過輸入螺旋槳的直徑、螺距比、盤面積等參數，直接利用推進計算公式進行推進性能計算。利用阻力計算得到的有效功率曲線、螺旋槳的推力曲線，結合主機特性，進行機槳匹配，計算得到船舶航速，再根據船舶載重、主機與輔機參數完成船舶能效的計算，并與相關的能效標準進行比較。這就是軟件實現(xiàn)能效計算評估的整個過程。當用戶依次運行各計算模塊時，可查看該模塊計算過程中產生的相關結果，便于用戶對最終結果可靠性的判斷。而進行自動批量化計算時，由于數據量較大，這些中間結果并不輸出。為保證最終結果的可靠性，軟件程序對在計算過程中涉及的各變量進行了量級判斷，如出現(xiàn)不符合物理關系或數學關系的異常情況，將其輸出到獨立的一個結果文件，供用戶辨別及查找錯誤。

2.2圖譜曲線的數值化在艾亞法計算和螺旋槳設計過程中，都需要進行查圖譜與插值操作，手工計算時這部分工作既繁瑣又易出錯。為使計算程序自主完成這些查圖譜與插值操作，首先必須使艾亞法與螺旋槳設計的圖譜數值化，即將曲線圖轉換成計算程序能夠識別讀取的數據。在軟件開發(fā)前期工作中，利用AutoCAD二次開發(fā)語言Lisp進行CAD數據讀取命令的編寫，實現(xiàn)將CAD中曲線的坐標值輸出到指定的文件。將計算中用到的圖譜曲線制成圖片導入CAD，再利用該命令即可將這些曲線的坐標導出成數據格式。利用Lisp開發(fā)的命令將這些數據點在CAD中自動繪制成曲線。將繪成的曲線與原圖曲線進行比較，驗證數據的精度，最終得到一系列可用于程序計算的數據點。圖3為艾亞法的系數C0圖經過數值化后所得數據點繪成的曲線。對于分布規(guī)律性強的數據點，如螺旋槳最佳效率曲線、螺旋槳KT/KQ曲線等數據，將其回歸成計算公式，這樣既使程序編寫方便、又能提高計算速度。而對于不易回歸的數據點，則將其作為初始數據固化于程序中，計算時根據其分布規(guī)律使用線性插值或非線性插值的函數進行插值計算。這樣，原來需要手工查圖的操作實現(xiàn)了自動化計算。

2.3艾亞法的修正艾亞法是基于海船資料回歸得出的估算方法，當其應用于內河船時需要進行一定的修正，而修正量的大小通常憑船舶設計工作者的經驗估算［10］。為使艾亞法能有效應用于內河船舶阻力的估算，有必要對其進行修正和分析。收集到35艘內河貨船的船模水池試驗數據，由于內河船的航速較低，此次分析采用的試驗數據的航速范圍為14~21km/h，共有197個樣本點。表1給出這些船的主參數范圍。利用艾亞法進行阻力估算，將計算結果與試驗數據進行比較和分析，以此為基礎進行修正和分析。分別利用原版的艾亞法和修正的艾亞法對197個樣本點進行計算，將結果與試驗數據進行比較分析。將計算值與試驗值之間的相對誤差以5%為間距劃分區(qū)間并統(tǒng)計各區(qū)間分布的樣本比例，圖4顯示兩種方法的分布比例。從中可看出，原版艾亞法的結果大部分相對試驗值偏小，相對誤差的絕對值大于5%的樣本點所占比例達70%；而修正艾亞法的結果則有69%的樣本點分布于-5%至5%之間，且97%處于-10%至10%之間。這表明修正艾亞法更適合于內河船舶的有效功率估算，其計算精度能夠滿足工程應用要求。

3軟件驗證算例

3.1航速預報的驗證收集實船試驗資料進行軟件計算航速的驗證，共有7艘船，其中散貨船3艘、集裝箱船1艘、油船3艘，其主要參數及航速的計算結果見表2。由該表可看出，其中最大誤差為4.6%，而有4艘船的誤差小于3%。

3.2能效評估的驗證為驗證軟件應用于能效評估的效果，通過收集長江干散貨船的數據，選取載重噸在1000~8000t的船舶共2965艘，進行CO2排放指標的計算分析。圖5是CO2排放指標ICO2計算值的散點分布圖。由于圖中5000噸級以下的船舶數量多，計算值散點過于密集。為清晰反映其能效水平，對計算值進行統(tǒng)計，得到樣本中50%通過A級航區(qū)ICO2限值時的數值，圖中用▲作了標識。而干散貨船的A級航區(qū)限值的制訂標準即為50%的船舶通過。由此可知，采用軟件進行長江船舶能效評估能夠較準確反映其實際能效水平。

4結論

將VisualC++應用于內河船舶航速預報及能效評估的開發(fā)，不但能明顯減輕用戶的工作量，提高工作效率，提高船舶初始設計階段在阻力估算、螺旋槳設計、航速估算、能效評估的速度，而且其友好界面能實現(xiàn)批量化計算，具有良好的使用價值。程序中采用基于內河船舶試驗資料的修正艾亞法進行阻力估算，從而提高了計算精度。

［參考文獻］

［1］IMO.MEPC62/6/4.CalculationofParametersforDeterminationofEEDIReferenceValues［S］.2011.

［2］IMO.MEPC212（63）.2012GuidelinesontheMethodofCalculationoftheAttainedEnergyEfficiencyDesignIndex（EEDI）forNewShips［S］.2012.

［3］交通運輸部.內河運輸船舶標準船型指標體系［S］.2012.

［4］交通運輸部.內河運輸船舶標準化管理規(guī)定［S］.2014.

［5］余建偉，尹遜濱.EEDI對總體設計的影響［J］.船舶工程，2013，S2，134-136.

［6］錢能.C++程序設計教程［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［7］王文強，胡勇.基于VC++與OpenGL的船舶合攏管可視化設計［J］.船舶工程，2014，36（5）：107-121.

［8］盛振邦，劉應中．船舶原理［M］.上海：上海交通大學出版社，2003．

［9］中國船級社.船舶能效設計指數（EEDI）指南［S］.北京：人民交通出版社，2012.

［10］劉桂杰，郭春雨，李茂華，等.船舶阻力圖譜計算與模型試驗結果比較分析［J］.中國艦船研究，2014（3）：38-42.

作者：陳 鈺 陳慶任 趙丙乾 單位：中國船級社武漢規(guī)范研究所