一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法技术

本发明专利技术公开一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，包括(1)选择计算船舶，并获取计算船舶的船舶尺寸、发动机参数与螺旋桨参数的数据；(2)以航道水深作为主影响因素，根据(1)获取的船舶数据，建立某一航段的船舶油耗模型；(3)验证船舶油耗模型的计算精度是否满足要求；若满足要求，则进入(4)；若不满足要求，需添加修正系数，返回(2)；(4)根据运河船闸将计算船舶的航行路线划分为n个航段，获取各航段的里程与水深数据，根据(2)建立各航段的船舶油耗模型，并对其求和获得船舶全航程油耗模型；(5)以船舶全程油耗模型为目标函数，结合发动机转速上下限与航行时间上限，调用寻优算法计算获得各航段的油耗最优航速。计算获得各航段的油耗最优航速。计算获得各航段的油耗最优航速。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法


[0001]本专利技术涉及船舶航速计算领域，具体涉及一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法。

技术介绍

[0002]当前，节能减排是各行各业的发展趋势。然而，航运行业的碳排放量逐年升高。随着全球燃油价格的上涨，航运公司面临着降低运营成本、提高市场竞争力的巨大挑战。
[0003]优化船舶能耗是发展环境友好型航运、降低航运公司运营成本的一项重要任务。速度是影响船舶能耗的最关键影响因素之一。通过获取适当速度并以此降低船舶能耗，是一种高效的节省船舶能耗的方式。当前许多航速优化计算方法多适用于天然河流与海洋，更多考虑风、浪、流对船舶能耗的影响。相比较而言，运河具有水深浅、宽度窄、水流速度小等特点，影响船舶能耗的主要因素为航道水深。由于影响因素的不同，海洋、天然河流对比运河的油耗最优航速计算方法也不尽相同。
[0004]通过船舶实际情况分析与理论计算相结合的形式进行油耗最优航速计算，并将优化后的航速用于实际船舶航行，可以一定降低船舶燃油消耗，对于实现节能减排的目标具有重要意义。但该方法存在一些弊端：对基础数据要求较高，有些老船舶所拥有的船舶数据不全可能会造成计算无法进行；存在一定误差，油耗最优航速的计算过程需要经过多次数学推导与曲线拟合，容易出现误差过大的现象，需要结合船舶实验进行修正。

技术实现思路

[0005]技术问题：本专利技术提供了一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，能针对运河环境进行船舶油耗最优航速计算。
[0006]技术方案：本专利技术提供了适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，所述计算方法包括：
[0007]步骤1：选择计算船舶，并获取计算船舶的船舶尺寸、发动机参数与螺旋桨参数的数据；
[0008]步骤2：以航道水深作为主影响因素，根据步骤1获取的船舶数据，获得船舶阻力、发动机油耗率、发动机输出功率的表达式以及发动机转速
‑
航速的函数关系，从而建立某一航段的船舶油耗模型；
[0009]步骤3：设计船舶实验，验证船舶油耗模型的计算精度是否满足要求；若满足要求，则进入步骤4；若不满足要求，需添加修正系数，返回步骤2；
[0010]步骤4：根据运河船闸将计算船舶的航行路线划分为n个航段，获取各航段的里程与水深数据，根据步骤2建立各航段的船舶油耗模型，并对其求和获得船舶全航程油耗模型；
[0011]步骤5：以船舶全程油耗模型为目标函数，结合发动机转速上下限与航行时间上限，调用寻优算法计算获得各航段的油耗最优航速。
[0012]步骤1中，获取的船舶尺寸包括：船舶宽度、船舶水线长、船舶吃水深度、船舶吨位；获取的发动机参数包括：推进特性曲线、减速比、发动机转速上下限；获取的螺旋桨参数包括：螺旋桨型号、盘面比、螺旋桨直径。
[0013]步骤2中，以航道水深作为主影响因素，考虑航道浅水效应下，船舶航行阻力是根据下式计算的：
[0014][0015]其中：K
h
为浅水航行阻力换算系数；C
AP
为船舶附体阻力系数；C
f
光滑平板摩擦阻力系数；ΔC
f
为粗糙度补贴系数；C
r
为剩余阻力系数；ρ为水的密度，单位：kg/m3；V为船舶航行速度，单位：m/s；A为船体湿表面积，单位：m2。
[0016]公式(1)中各系数是根据下列公式计算的：
[0017][0018][0019][0020]C
r
＝(25.02Fn3‑
7.752Fn2+1.246Fn+0.2568)C
f
ꢀꢀꢀ
(5)
[0021][0022][0023][0024]其中：h为航道水深，单位：m；d为船舶吃水深度，单位：m；Re为船体雷诺数；k
s
为粗糙度表观高度，单位：m，取150
×
10
‑6m；L为船舶水线长，单位：m；Fn为傅汝德数；B为船舶宽度，单位：m；C
B
为方形系数；Δ为船舶排水体积，根据船舶吨位求得，单位：m3；M为船舶吨位，单位：kg。
[0025]步骤2中，通过拟合步骤1获取的发动机推进特性曲线，得到发动机输出功率
‑
发动机转速和发动机油耗率
‑
发动机转速的函数关系。发动机输出功率与发动机转速的三次方成比例，发动机油耗率是有关发动机转速的一元二次方程，表达如下：
[0026]P
e
＝f1(n
e3
)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0027]g
e
＝f2(n
e2
,n
e
)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0028]其中，P
e
为发动机输出功率，单位：kW；g
e
为发动机油耗率，单位：g/(kW
·
h)；n
e
为发动机转速，单位：r/min。
[0029]步骤2中，根据步骤1获取的螺旋桨型号与盘面比查询螺旋桨敞水特性系列图谱获得螺旋桨敞水特性曲线，通过拟合螺旋桨敞水特性曲线获得推力系数
‑
进速系数函数关系推力系数与进速系数的关系如下：
[0030][0031]其中：J为进速系数，为进程与螺旋桨直径的比值；V
p
为螺旋桨进速，单位：m/s；n
p
为
螺旋桨转速，单位：r/min；D为螺旋桨直径，单位：m；K
T
为推力系数；T为船舶推力，单位：N。
[0032]步骤2中，根据船舶推力与船舶航行阻力的关系(12)推导出发动机转速
‑
航速的函数关系；将船舶阻力(1)、船舶推力(13)与推力减额分数(14)的表达式代入公式(12)中，获得螺旋桨转速的一元二次不等式(15)，通过求根公式(16)获得螺旋桨转速
‑
船舶函数关系，发动机转速为螺旋桨转速乘减速比的积，根据获取的减速比得到发动机转速
‑
航速函数关系(17)，表达式如下：
[0033]T＝R/(1
‑
t)
ꢀꢀꢀ
(12)
[0034]T＝K
T
ρn
p2
D4ꢀꢀꢀ
(13)
[0035][0036]an
p2
+bn
p
+c＝0
ꢀꢀꢀ
(15)
[0037][0038]n
e
＝i
·
n
p
ꢀꢀꢀ
(17)
[0039]其中：t为推力减额分数；a、b、c分别为与航速相关的系数；i为减速比。
[0040]步骤2中，根据获得的发动机输出功率(9)、发动机转速(10)表达式与动机转速
‑
航速函数关系(17)得到某一航段的船舶油本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：步骤1：选择计算船舶，并获取计算船舶的船舶尺寸、发动机参数与螺旋桨参数的数据；步骤2：以航道水深作为影响因素，根据步骤1获取的船舶数据，获得船舶阻力、发动机油耗率、发动机输出功率的表达式以及发动机转速
‑
航速的函数关系，从而建立某一航段的船舶油耗模型；步骤3：验证船舶油耗模型的计算精度是否满足要求；若满足要求，则进入步骤4；若不满足要求，添加修正系数，返回步骤2；步骤4：根据运河船闸将计算船舶的航行路线划分为n个航段，获取各航段的里程与水深数据，根据步骤2建立各航段的船舶油耗模型，并对其求和获得船舶全航程油耗模型；步骤5：以船舶全程油耗模型为目标函数，结合发动机转速上下限与航行时间上限，调用寻优算法计算获得各航段的油耗最优航速。2.根据权利要求1所述的一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，其特征在于，步骤1中，获取的船舶尺寸包括：船舶宽度、船舶水线长、船舶吃水深度、船舶吨位；获取的发动机参数包括：推进特性曲线、减速比、发动机转速上下限；获取的螺旋桨参数包括：螺旋桨型号、盘面比、螺旋桨直径。3.根据权利要求1或2所述的一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，其特征在于，步骤2中，以航道水深作为影响因素，船舶航行阻力是根据下式计算的：其中：K
h
为水中航行阻力换算系数；C
AP
为船舶附体阻力系数；C
f
光滑平板摩擦阻力系数；ΔC
f
为粗糙度补贴系数；C
r
为剩余阻力系数；ρ为水的密度，单位：kg/m3；V为船舶航行速度，单位：m/s；A为船体湿表面积，单位：m2。4.根据权利要求3所述的一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，其特征在于，公式(1)中各系数是根据下列公式计算的：公式(1)中各系数是根据下列公式计算的：公式(1)中各系数是根据下列公式计算的：C
r
＝(25.02Fn3‑
7.752Fn2+1.246Fn+0.2568)C
f
ꢀꢀ
(5)(5)(5)其中，h为航道水深，单位：m；d为船舶吃水深度，单位：m；Re为船体雷诺数；k
s
为粗糙度表观高度，单位：m，取150
×
10
‑6m；L为船舶水线长，单位：m；Fn为傅汝德数；B为船舶宽度，单位：m；C
B
为方形系数；Δ为船舶排水体积，根据船舶吨位求得，单位：m3；M为船舶吨位，单位：kg。
5.根据权利要求4所述的一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，其特征在于，步骤2中，通过拟合步骤1获取的发动机推进特性曲线以得到发动机输出功率
‑
发动机转速和发动机油耗率
‑
发动机转速的函数关系，发动机输出功率与发动机转速的三次方成比例，发动机油耗率是有关发动机转速的一元二次方程，表达如下：P
e
＝f1(n
e3
)
ꢀꢀ
(9)g
e
＝f2(n
e2
,n
e
)
ꢀꢀ
(10)其中，P
e
为发动机输出功率，单位：kW；g
e
为发动机油耗率，单位：g/(kW
·
h)；n
e
为发动机转速，单位：r/min。6.根据权利要求5所述的一种适用于运河环境的油耗最优航速计算方法，其特征在于，步骤2中，根据步骤1获取的螺旋桨型号与盘面比查询螺旋桨敞水特性系列图谱获得螺旋桨敞水特性曲线，通过拟合螺旋桨敞水特性曲线获得推力系数
‑
进速系数函数关系，推力系数与进速系数的关系如下：与进速系数的关系如下：其中，J为进速系数，其为螺旋桨进程与螺旋桨直径的比值；V
p
为螺旋桨进速，单位：m/s；n
p
为螺旋桨转速，单位：r/min；D为螺旋桨直径，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宿东，谢雯，冒刘燕，张妮妮，何俐烨，陈香橦，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：