为了应对全球气候变暖问题，国际海事组织制定了一系列强制性规则和指导文件，如2013年1月1日强制执行的新船能效设计指数(EEDI)规范，2018年4月通过了船舶温室气体减排初步战略[1]，开启了国际海运关于节能减排的新阶段：到2030年，国际海运碳排放强度应比2008年至少降低40%．造船业目前通过降速、船型优化、节能技术应用等能效技术手段使船舶能效获得了较大的提高[2]，但离2030年的排放目标还有一段明显差距．基于船舶水动力性能试验研究开展船舶综合航行性能预报，是船舶研究开发中的关键环节，与船舶水动力节能技术相关的研究更是受到长期关注．关于船舶水动力节能技术效果的评估工作主要是基于水池模型试验开展的，而且对于静水中裸船体船模推进功率预报已经可以达到很高的精度；但对于安装有节能技术的船模，尚无很好的方法能外推到实船[3]，这对EEDI的评估造成了很大的困难和许多的不确定性．我国作为造船大国和航运大国，有必要开发一种切实可行的试验方法来评估各种水动力节能技术的效能．实海域船舶模型试验作为一种综合考虑尺度效应影响和复杂海洋环境影响的有效手段应运而生，在ITTC(国际拖曳水池会议)的倡导下逐渐被世界各国所采用，尤其是在军事领域，国外已经开展了不少的实海域船舶模型水动力性能试验研究[4-8]．我国的实海域船舶模型试验技术在波浪结构载荷研究方面已经初具发展[9-12]，并在国际上获得了一定的认可，但是关于水动力性能方面，尤其是推进性能的相关研究受限于大量程测量仪器的自主研发，导致其发展迟缓．本研究以一艘矿砂船为研究对象，建造了约110 t排水量的海上自航船模．模型上搭载了综合测试系统，自主研发的断轴自航仪可对船模的螺旋桨推进性能进行监测与分析．为了探究船后导流鳍-舵球组合附体的节能效果，先后开展了静水及波浪环境中的自航试验研究，分析了不同浪高、浪向下组合附体对螺旋桨推进性能的影响．1 实海域试验模型1.1　模型主尺度试验模型的母型船为一艘23×104 t矿砂船，采用比例尺1/13建造了玻璃钢船体，该船为典型低速肥大型船舶，方形系数大，具有球鼻艏和方艉且尾部型线收缩锋利．船模被命名为“兴旺∙船测1号”，模型的水线长为24.2 m，型宽为4.038 m，吃水为1.392 m，排水体积为115.195 m3，安装有SKEW叶型的四叶螺旋桨(直径为0.738 m，盘面比为0.498 m)，船模见图1．10.13245/j.hust.230407.F001图1试验模型1.2　自主研发断轴自航仪螺旋桨的推力与扭矩是船舶推进性能最重要的两项指标，本次试验的核心技术之一就是测量仪器的研发．哈尔滨工程大学船模水池实验中心基于丰富的试验经验，自主研发了适用于实海域船模试验的大量程、高精度的断轴自航仪(见图2)．断轴自航仪由推力测量单元和扭矩测量单元两部分组成，分别解析螺旋桨诱导桨轴轴向或周向形变，经载频信号放大器和数据采集器处理后获得推力和扭矩，解决了推力及扭矩间测量的串扰问题．10.13245/j.hust.230407.F002图2断轴自航仪1.3　船模综合测试系统船模试验综合测试系统的设计是复杂的过程，也是试验成功的保障．本次试验的主要目的是在考虑雷诺数影响下(采用大尺度模型)评估组合节能附体在三维非线性海浪环境中的效果，因此在模型的设计中要满足以下几点的功能性要求．a．续航性：离港后，动力源能支撑模型的正常航行并达到6~8 h/d的试验时长．b．运动测量：可对船模的航速、轨迹、航向角进行监测．c．螺旋桨性能的测量：可对螺旋桨的推力、扭矩进行监测．d．环境测量：可对波浪高度、风速、风向进行监测．e．航行能力：模型应具备自主航行功能，能通过控制完成模型的各种操纵指令，满足基本的直线航行、转弯能力．从功能性角度出发，将大尺度模型试验综合测试系统分为三部分：GPS/INS(全球定位系统/惯性系统)组合惯导系统，模型控制系统，数据采集分析系统．试验系统见图3．10.13245/j.hust.230407.F003图3船模综合测试系统在模型控制系统中，上位机发出操控指令，用户控制界面显示各种参数，如舵角和螺旋桨转数，可以通过控制界面输入参数来改变船模的运动；下位机接收上位机发出的命令并翻译成时序信号直接控制螺旋桨控制电机及舵控制电机，并将电机的状态数据反馈给上位机．在组合惯导系统中，无缝集成功能的接收机连接着GPS辅助接收器及惯性传感器，用户界面显示实时的运动信息，包括航速、航迹、航向、横摇角度、纵倾角度和艏向角速率等．数据采集分析系统中，32通道商用数据采集器用来收集自航仪测量到的螺旋桨推力与扭矩数据并中转至笔记本电脑，通过配套分析软件对数据进行记录、分析、存储；浪高仪具备远程数据传输功能，幅度、周期等波浪信息每隔1 h被发送至固定IP地址的电脑进行分析；风速风向仪实时监测相对风速与风向．2 导流鳍-舵球组合节能附体导流鳍是一种安装在螺旋桨前方的简单结构的节能附体．其节能机理为：使桨前进流产生预旋转，旋转方向与螺旋桨转向相反，增大桨叶进流攻角，提高螺旋桨推力；消除、减小尾涡进而减小船体阻力．基于模型试验和数值仿真的大量研究[13-23]表明不同结构形式的导流鳍通常可以达到2%~5%的节能效果，而实船应用时的节能效果最高可达7%．图4为组合节能附体．本次试验中采用的导流鳍数量为3，沿着不同周向角度安装在船体左侧(见图4(a))．舵球最早由日本川崎重工在20世纪80年代研制，是一种正对着桨轴中心安装在舵上的桨后节能装置，通过填充桨毂后方的低压区，起到对桨后水流的整流作用，可降低毂涡等涡流引起的能量耗散和螺旋桨的激振力．大量的实船测试表明加装舵球可获得4%的节能收益，文献[24]进行了舵球的尺度效应研究，结果表明模型尺度下舵球的节能效果是实尺度测量结果的2倍．10.13245/j.hust.230407.F004图4组合节能附体考虑到操舵时毂帽和舵之间的间隙匹配问题，试验中采用具有端面的舵球，为了配合舵球的使用，将毂帽设计成具有相同端面的形式(见图4(b))．3 试验方法与流程3.1　试验工况为了验证导流鳍-舵球形式组合节能附体在复杂海浪环境中的真实效果，设计了表1中的自航试验工况．依据弗劳德定律，不同浪高分别对应于实船航行时的静水、5级、8级海况．10.13245/j.hust.230407.T001表1试验工况工况编号波高/mm实船海况浪向10静水(低于2级)无浪22505级迎浪32505级首斜浪45008级迎浪55008级首斜浪3.2　试验海域本次试验在山东省青岛市黄岛区附近海域(见图5)开展，该片海域位于我国黄海北部．试验海域远离海岸线约3 n mile，平均水深大于20 m．10.13245/j.hust.230407.F005图5试验海域卫星图3.3　试验方法为了分析组合节能附体效果受波浪环境影响的情况，自航试验分别在静水条件及波浪条件下开展．由于海上波浪条件复杂，因此浪高和潮高受时间跨度影响明显，此处所说的静水自航通常是在1 d中的平潮期进行的，人眼可观测到平潮时海面平静如镜．静水自航试验中先以AB方向为参考方向(见图6(a))，沿此固定方向进行定航向直线航行，螺旋桨转数由N1规律递增至Ni，i为航次；往返过程中以BA方向为参考方向，螺旋桨转数以同样方式递增，多次重复试验，结果取均值．10.13245/j.hust.230407.F006图6路线示意图波浪中自航试验须考虑浪高、浪向等环境因素，通常采用定转速变方向的方法，以某一时间段内的波浪方向为参考方向(见图6(b))，以迎浪角度开始，在保持螺旋桨转速不变的情况下，依次改变航行方向．3.4　试验流程船模下水后，首先进行浮态调整，随后开展模型系统的海上调试，如GPS设备数据传送校核、轴系密封、舵的敏感度响应、操控软件系统的流畅性等．天气和海浪是不可控的，但具有一定的周期性，结合当地气象预报和浮标浪高仪对波浪趋势的预测，可开展相应工况下的试验研究．典型试验场景如图7所示．10.13245/j.hust.230407.F007图7典型试验场景每一次的试验流程如下．试验开始之前，对船上的仪器和设备进行开机调试．调试无误后由辅助船运至浪高仪所在海域，该海域离岸约3 n mile．按照试验工况和试验内容，船模沿着预设航线进行航行．波浪自航试验过程中须时刻观察周围海浪的主浪向，并拍摄记录海况及模型运动的视频资料．完成某一转速的方案后，立刻进行同一海况下的另一转速的测试工作．当海况发生变化时，若满足另一海况要求，则立即进行相应海况下的试验；若不满足，则结束当天试验．试验结束后，由辅助船协助返回港口基地，提取记录在笔记本电脑和上位机中的试验数据，将有效数据拷贝至移动硬盘，完成当日测试工作．4 实海域试验结果4.1　静水自航试验结果图8展示了静水自航试验中螺旋桨转速与所产生推力、扭矩的关系曲线，图中：F为推力；W为扭矩；n为转速．从图中可以看到：随着转速的增大，螺旋桨产生的推力和扭矩呈现出了抛物线关系．从图8(a)中可以看出：在静水环境下，导流鳍-舵球组合节能附体(此后简述为节能附体)对螺旋桨推力的影响很小；然而，图8(b)中两条曲线几乎处于平行关系，节能附体对螺旋桨扭矩的影响十分明显，与未安装节能附体相比，扭矩下降了20~30 N∙m．10.13245/j.hust.230407.F008图8静水自航螺旋桨性能曲线4.2　波浪自航试验结果图9展示了250 mm波浪自航试验中螺旋桨转速与所产生推力、扭矩的关系曲线，随着转速的增加，螺旋桨产生的推力和扭矩呈现出了良好的上升趋势．从图9(a)中可以看出：无论是迎浪还是艏斜浪中，节能附体使得螺旋桨推力产生了明显提升，尤其是在高转速情况下，推力增加了13%~15%．如图9(b)所示，从整体来看，节能附体对于该海况下螺旋桨的扭矩也同样产生了有益影响，安装节能附体后，数值下降明显；迎浪处，螺旋桨在较高转速下的扭矩下降了约5%；艏斜浪处，螺旋桨在较高航速下的扭矩下降了3%~7%．10.13245/j.hust.230407.F009图9250 mm波高中自航螺旋桨性能曲线图10展示了500 mm波浪自航试验中螺旋桨转速与所产生推力、扭矩的关系曲线．从图10(a)中可以看到：与250 mm波浪中自航结果相比，节能附体对推力的有益影响发生了下降，在较低转速处甚至产生了相反的作用；当螺旋桨以较高转速运作时，迎浪情况下的螺旋桨推力增大了8%~12%，艏斜浪情况下则增大了3%~10%．从图10(b)中可以看到：在该海况下组合节能附体对螺旋桨扭矩的影响并不明显，当螺旋桨以最小转速或最大转速运作时，组合节能附体的安装使得扭矩增大，产生了消极影响；当安装组合节能附体之后，螺旋桨以较适中转速运作，迎浪中的螺旋桨扭矩下降了约1%，艏斜浪中则下降了2%~5%．10.13245/j.hust.230407.F010图10500 mm波高中自航螺旋桨性能曲线5 结论为了探究船后导流鳍-舵球组合附体的节能效果，本研究以一艘矿砂船为研究对象，建造了约110 t排水量的海上自航船模，并先后开展了静水及波浪环境中的自航试验研究，分析了不同浪高、浪向下组合附体对螺旋桨推进性能的影响，得出以下结论．在静水中，随着螺旋桨转速的增大，其产生的推力和扭矩呈现出了良好的抛物线关系，导流鳍-舵球组合节能附体对螺旋桨推力的影响很小，但对螺旋桨扭矩的影响十分明显，安装节能附体后，扭矩下降了20~30 N∙m．在250 mm波浪中，随着螺旋桨转速的增加，其产生的推力和扭矩呈现出了良好的上升趋势，无论是迎浪还是艏斜浪，节能附体使得螺旋桨推力产生了明显提升，尤其是在高转速情况下，推力增加了13%~15%；在安装节能附体后，螺旋桨的扭矩数值下降明显，迎浪处螺旋桨在较高转速下的扭矩下降了约5%，艏斜浪处螺旋桨在较高航速下的扭矩下降了3%~7%．在500 mm波浪中，节能附体对推力的有益影响发生了下降，在较低转速处甚至产生了相反作用，当螺旋桨以较高转速运作时，迎浪处的螺旋桨推力增大了8%~12%，艏斜浪处增大了3%~10%；组合节能附体对螺旋桨扭矩的影响并不明显，当螺旋桨以适中转速运作，组合节能附体的安装使得迎浪处螺旋桨的扭矩下降了约1%，艏斜浪处螺旋桨扭矩下降了2%~5%．