考虑洋流影响的船舶主机能耗预测策略及实船验证研究

本文创新性地提出了一种考虑洋流影响的船舶主机能耗预测策略，通过实船试验验证了洋流通过航行阻力和螺旋桨推进效率双重机制对能耗的影响。研究综合运用计算流体力学(CFD)、国际拖曳水池会议(ITTC)经验公式和半经验数值导航模型(SNNM)，建立了包含静水阻力、风浪附加阻力和洋流阻力的全尺度船舶阻力预测方法，并首次系统量化了洋流引起的螺旋桨进速变化对推进效率的影响。研究结果为船舶能效管理计划(SEEMP)的制定提供了更精确的能耗预测工具。

　　

Highlight

本研究通过整合静水阻力、气动/风阻、波浪附加阻力和洋流诱导阻力的计算框架，建立了实船航行阻力、主机功率和燃油消耗的预测方法。提出的新型能耗预测策略明确考虑了洋流对航行阻力和螺旋桨推进效率的双重影响，并通过实船试验验证了其有效性。

Methods for prediction of ship resistance

为准确计算船舶航行期间主机能耗，需首先计算船舶受到的总阻力。总阻力R_t包含四个主要分量：静水阻力R_calm、波浪附加阻力R_AW、洋流阻力R_C以及风阻。本研究创新性地采用速度差法（STW与SOG差异）量化洋流引起的附加阻力，为传统阻力计算模型补充了关键的环境影响因素。

Prediction method of main engine power

通过整合船舶阻力分量与航行速度、推进原理，可计算所需推进功率并推导主机功率和燃油消耗。特别关注洋流引起的螺旋桨进速变化对推进效率的影响，建立了包含推进系统功率传输损失的完整能耗预测链条。当船舶匀速直线航行时，航行阻力与螺旋桨推力达到动态平衡，此时有效推进功率可直接反映主机能耗特性。

The sea trials of full-scale ship

为验证所提出的考虑洋流阻力的能耗预测策略，本研究采用大连海事大学"育鲲"轮研究船开展实船试验。试验在中国青岛-大连沿海区域进行，在稳定主机功率条件下采集航行数据，并辅以开源区域海洋环境数据，为模型验证提供了真实场景下的多源数据支撑。

Verification and analysis

本节将提出的总阻力、主机功率和燃油消耗(FC)预测方法与区域海洋环境同化数据相结合，采用数值回溯方法计算"育鲲"轮试验期间的发动机功率和FC，并与实测结果进行对比验证。验证过程显示，同时考虑洋流引起的阻力和推进效率变化的预测策略，其误差显著低于忽略洋流或仅考虑部分洋流效应的传统方法。

Discussions

本研究建立的考虑洋流影响的全尺度船舶主机能耗预测物理模型，通过实船试验验证了同时考虑洋流对船舶阻力和推进效率影响的必要性。分析表明，洋流引起的螺旋桨进速变化可导致推进效率波动达3.5%，而洋流阻力在特定航段可占总阻力的12%以上，这些发现为船舶能效优化提供了新的理论依据。

Conclusions

本研究通过整合静水阻力、气动/风阻、波浪附加阻力和洋流诱导阻力的计算框架，建立了实船航行阻力、主机功率和燃油消耗的预测方法。提出的新型能耗预测策略明确考虑了洋流对航行阻力和螺旋桨推进效率的双重影响，为船舶能效管理计划(SEEMP)的制定提供了更精确的决策工具。实船验证表明，该策略相比传统方法可降低预测误差达18%，显著提升了复杂海洋环境下能耗预测的准确性。