全浪向波浪增阻预报方法开发验证及建议

作者：王金宝（ITTC船舶营运性能委员会主席2014-2021）

内容提要：

波浪中阻力增加的正确预报，对于正确评估船舶的航速至关重要。

本文从以下方面进行阐述：

实船试航中遇到了什么问题；

ITTC试航规程中现有的方法有何局限；

全浪向波浪增阻预报方法开发及验证过程；

开发的新方法与现有方法相比有何优势；

关于新方法的讨论、对策和建议等，为实船航速性能分析评估提供更有效工具。

1 实船试航中遇到的问题

708所为国内外船东设计了大量的箱船。但随着所要求的能效指数指标的不断降低和箱船吨位的增加，实船试航的航速余量越来越紧张。

工程实践中，试航时间随着吨位增加而增加，其间风向、浪向等环境因素可能发生大幅度的变化，超出目前试航修正方法（ITTC2017）STA适用的范围（45°首浪以内），从而对交船带来不利影响。

为了考察浪向超过45°对船舶性能的影响，708所以2万箱集装箱船为对象，在荷兰水池开展了完整的全浪向试验，发现了如下的波浪增阻结果：

从上表可见，迎浪45～60度时,不同航速和吃水下，波浪增阻比例仍然相当大，达到5.4-9.4%；即使到尾斜浪135度，波浪增阻也超过2%。从ITTC船舶性能委员会搜集的29条船模型试验的数据也表明，45-135°，无一例外具有波浪增阻。因此，从首斜浪45°到随浪，波浪增阻不能忽略。

2 ITTC试航规程中现有的方法的局限

目前ITTC规程中可用的波浪修正方法包括荷兰STA方法、日本NMRI 方法和模型试验方法。

1荷兰方法STA：只能修正在迎浪45°范围内的波浪增阻；

2日本NMRI方法：可以进行全浪向波浪增阻修正，但需要船舶型线和运行许可，二者缺一不可。实践中要真正应用NMRI方法难度很大，原因之一是大家对型线都非常重视，把型线提供给试航团队并不可行；二是日本对运行许可控制严格，别的国家难以获得。因此，NMRI方法使用范围十分受限。

3至于对每一条船都开展不同浪向下的模型试验，这并不现实，世界上能够进行高精度全浪向模型试验的单位非常少，即便不考虑成本，这些水池也无法满足整个工业界的需求。

4基于以上分析，有必要引入既不需要型线但又能够涵盖不同浪向而且对大家开放的波浪增阻预报新方法。

3 浪向角度超过45°的情形

1试验过程中浪向发生改变超过45°。大型船舶，如大型箱船、油船和散货船等，即使采用最经济的1+2+1（4个往返、8个单程）的迭代法试航，测试时间可能也会达到8-10个小时，在这么长的时间里，浪向发生大范围的改变极其可能。

2风和浪方向不一致，浪向角度超过45°，风强浪弱故而试航航向和风向保持一致。

3涌浪与风浪夹角大于45°，两种浪的影响都需修正。

4风和浪方向一致，但海流比较强且与波浪夹角大于45°。

以上情形都会使得船舶在试航时遭遇超过45°的海浪，而目前的试航规程在没有型线的前提下又难以顾及，因此需要开发不基于型线的波浪增阻预报新方法。

4 关于本方法的开发和验证

1注意到现有方法的局限性，ITTC船舶营运性能委员会王金宝主席（2014-2021），在第一个任期（2014-2017）即开始策划，并在征得委员会同意后将“验证现有方法、必要时开发新的波浪增阻预报方法”作为委员会2017-2020的工作内容之一；

2经过与雅典国立科技大学Papanikolaou教授、新加坡南洋理工大学刘树魁博士的紧密合作，全浪向波浪增阻预报新方法命名为SNNM，于2019年11月发送ITTC船舶营运性能委员会初步验证；

3ITTC船舶营运性能委员会邀请了南洋理工大学刘树魁博士于2020年1月在韩国召开的第四次委员会会议上介绍了新方法，委员会交流和讨论了初步验证结果，对新方法给予了积极评价，并同意将该方法写入大会报告。

4由于新冠疫情影响，ITTC将原定于2020年9月的大会时间推迟至2021年6月。船舶营运性能委员会王金宝主席于第一时间争取顾问委员会支持并获得同意开展后续工作。从2020年4月起，积极推动委员会开展进一步验证，并搜集到8家单位提供的约1500个数据点。委员会经过反复的讨论，于2020年7月在新方法进入规程的指标上达成了一致（即准入门槛）。

5同时，数据分析紧锣密鼓展开。经过近8个月紧张的工作，2020年12月初，由波兰水池进行独立分析、汉堡水池校核的验证报告出炉，该报告结果显示新方法完全达到并大幅超出了委员会设定的指标。在委员会内传阅的过程中，部分委员们提出了一些中肯意见，开发团队及时进行了解释和澄清，在委员会内达成共识，并进一步完善了报告。2021年1月底，吸纳了新型波浪增阻预报方法（即SNNM方法）的ITTC实船测试分析规程在本委员会进一步传阅后，发顾问委员会批准。

6 2021年3月中旬，ITTC顾问委员会专门开会讨论了SNNM方法。王金宝作为技术委员会主席，全面介绍了本方法开发、验证过程，并回答了现场专家提出的问题。经过投票表决，新方法以高票赞同顺利进入ITTC规程，并在6月份召开的ITTC大会上确认通过。

7目前，ITTC正在积极协助ISO15016工作组修订试航中波浪修正方法，SNNM方法有望进入新版的ISO标准。

5 开发的新方法与STAWAVE2方法相比的优势

新方法在[0,45°]和（45,180°]两个浪向范围内与试验结果的相关系数均达到了0.86。

基于相同的数据源，荷兰的STAWAVE2在[0,45°]浪向范围内和试验结果的相关系数为0.70，该方法不适用于大于45°的其它浪向。

可见，SNNM方法预报精度比STA2更高，适用浪向范围比STA2更加广；而且同样不需要型线，只需要9个常用参数，易用性与STA2相当。

6关于新方法的讨论

1验证船型的代表性

本委员会共计搜集了29条船舶的不同浪向下的试验结果用于验证SNNM方法。验证船型数量占比与世界船队主力船型按照数量占比的对比如下表和下图所示，可见主力船型数量比例大体相当，代表了世界船队的船型数量占比。

2波阻增加预报准确性

基于委员会规则波中数据源，基于SNNM方法的平均波浪增阻预报偏差为0（下图），表明SNNM方法对于波浪增阻的预报既不保守，也不冒进。

基于委员会数据源(413个数据点，规则波) 

3短波中的波浪增阻

无因次的波浪增阻在波长船长比小于0.3的极短波中随波长减小而递增，与部分试验中观察到的现象一致，如下图所示。极短波中试验难度大、不确定因素多，试验数据目前还比较少。

7 对策和建议

经过不懈的努力，SNNM方法已经顺利进入2021版的ITTC实船测试分析规程。由于预报精度高、适用波浪方向范围广，该方法受到各主要造船国的青睐，因此，尽快将SNNM方法并入航速修正程序中，显得非常迫切，建议中国船级社牵头开展有关工作。

当前面临的一个难点是极短波中的高质量试验数据非常少，建议国内有条件的单位开展有关研究，验证有关现象，提高预报精度。ITTC耐波性委员会已经计划开展这方面的研究，建议国内有关单位积极参与比对。

此外，横浪中的试验数据，离散度较大，仍然需要改善测量和预报精度。

参考文献：

Liu S. and Papanikolaou A. (2020).  Regression analysis of experimental data for added resistance in waves of arbitrary heading and development of a semi-empirical formula. Ocean Engineering.

Wang J., Bielicki S., Kluwe F., Orihara H., Xin G. Kume K., Oh S., Liu S., Feng P. (2021). Validation study on a New Semi-empirical Method for the Prediction of Added Resistance in Waves of Arbitrary Heading in Analyzing Ship Speed Trial Results. Ocean Engineering.