內(nèi)容提要：波浪中阻力增加的正確預(yù)報(bào)，對(duì)于正確評(píng)估船舶的航速至關(guān)重要。
本文從以下方面進(jìn)行闡述：
- 實(shí)船試航中遇到了什么問題；
- ITTC試航規(guī)程中現(xiàn)有的方法有何局限；
- 全浪向波浪增阻預(yù)報(bào)方法開發(fā)及驗(yàn)證過程；
- 開發(fā)的新方法與現(xiàn)有方法相比有何優(yōu)勢(shì)；
- 關(guān)于新方法的討論、對(duì)策和建議等，為實(shí)船航速性能分析評(píng)估提供更有效工具。
1、實(shí)船試航中遇到的問題
708所為國(guó)內(nèi)外船東設(shè)計(jì)了大量的箱船。但隨著所要求的能效指數(shù)指標(biāo)的不斷降低和箱船噸位的增加，實(shí)船試航的航速余量越來越緊張。
工程實(shí)踐中，試航時(shí)間隨著噸位增加而增加，其間風(fēng)向、浪向等環(huán)境因素可能發(fā)生大幅度的變化，超出目前試航修正方法（ITTC2017）STA適用的范圍（45°首浪以內(nèi)），從而對(duì)交船帶來不利影響。
為了考察浪向超過45°對(duì)船舶性能的影響，708所以2萬箱集裝箱船為對(duì)象，在荷蘭水池開展了完整的全浪向試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了如下的波浪增阻結(jié)果：
從上表可見，迎浪45～60度時(shí),不同航速和吃水下，波浪增阻比例仍然相當(dāng)大，達(dá)到5.4-9.4%；即使到尾斜浪135度，波浪增阻也超過2%。從ITTC船舶性能委員會(huì)搜集的29條船模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)也表明，45-135°，無一例外具有波浪增阻。因此，從首斜浪45°到隨浪，波浪增阻不能忽略。
2、ITTC試航規(guī)程中現(xiàn)有的方法的局限
目前ITTC規(guī)程中可用的波浪修正方法包括荷蘭STA方法、日本NMRI 方法和模型試驗(yàn)方法。
（1）荷蘭方法STA：只能修正在迎浪45°范圍內(nèi)的波浪增阻；
（2）日本NMRI方法：可以進(jìn)行全浪向波浪增阻修正，但需要船舶型線和運(yùn)行許可，二者缺一不可。實(shí)踐中要真正應(yīng)用NMRI方法難度很大，原因之一是大家對(duì)型線都非常重視，把型線提供給試航團(tuán)隊(duì)并不可行；二是日本對(duì)運(yùn)行許可控制嚴(yán)格，別的國(guó)家難以獲得。因此，NMRI方法使用范圍十分受限。
（3）至于對(duì)每一條船都開展不同浪向下的模型試驗(yàn)，這并不現(xiàn)實(shí)，世界上能夠進(jìn)行高精度全浪向模型試驗(yàn)的單位非常少，即便不考慮成本，這些水池也無法滿足整個(gè)工業(yè)界的需求。
（4）基于以上分析，有必要引入既不需要型線但又能夠涵蓋不同浪向而且對(duì)大家開放的波浪增阻預(yù)報(bào)新方法。
3、浪向角度超過45°的情形
（1）試驗(yàn)過程中浪向發(fā)生改變超過45°。大型船舶，如大型箱船、油船和散貨船等，即使采用最經(jīng)濟(jì)的1+2+1（4個(gè)往返、8個(gè)單程）的迭代法試航，測(cè)試時(shí)間可能也會(huì)達(dá)到8-10個(gè)小時(shí)，在這么長(zhǎng)的時(shí)間里，浪向發(fā)生大范圍的改變極其可能。
（2）風(fēng)和浪方向不一致，浪向角度超過45°，風(fēng)強(qiáng)浪弱故而試航航向和風(fēng)向保持一致。
（3）涌浪與風(fēng)浪夾角大于45°，兩種浪的影響都需修正。
（4）風(fēng)和浪方向一致，但海流比較強(qiáng)且與波浪夾角大于45°。
以上情形都會(huì)使得船舶在試航時(shí)遭遇超過45°的海浪，而目前的試航規(guī)程在沒有型線的前提下又難以顧及，因此需要開發(fā)不基于型線的波浪增阻預(yù)報(bào)新方法。
4、關(guān)于本方法的開發(fā)和驗(yàn)證
（1）注意到現(xiàn)有方法的局限性，ITTC船舶營(yíng)運(yùn)性能委員會(huì)王金寶主席（2014-2021），在第一個(gè)任期（2014-2017）即開始策劃，并在征得委員會(huì)同意后將“驗(yàn)證現(xiàn)有方法、必要時(shí)開發(fā)新的波浪增阻預(yù)報(bào)方法”作為委員會(huì)2017-2020的工作內(nèi)容之一；
（2）經(jīng)過與雅典國(guó)立科技大學(xué)Papanikolaou教授、新加坡南洋理工大學(xué)劉樹魁博士的緊密合作，全浪向波浪增阻預(yù)報(bào)新方法命名為SNNM，于2019年11月發(fā)送ITTC船舶營(yíng)運(yùn)性能委員會(huì)初步驗(yàn)證；
（3）ITTC船舶營(yíng)運(yùn)性能委員會(huì)邀請(qǐng)了南洋理工大學(xué)劉樹魁博士于2020年1月在韓國(guó)召開的第四次委員會(huì)會(huì)議上介紹了新方法，委員會(huì)交流和討論了初步驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)新方法給予了積極評(píng)價(jià)，并同意將該方法寫入大會(huì)報(bào)告。
（4）由于新冠疫情影響，ITTC將原定于2020年9月的大會(huì)時(shí)間推遲至2021年6月。船舶營(yíng)運(yùn)性能委員會(huì)王金寶主席于第一時(shí)間爭(zhēng)取顧問委員會(huì)支持并獲得同意開展后續(xù)工作。從2020年4月起，積極推動(dòng)委員會(huì)開展進(jìn)一步驗(yàn)證，并搜集到8家單位提供的約1500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。委員會(huì)經(jīng)過反復(fù)的討論，于2020年7月在新方法進(jìn)入規(guī)程的指標(biāo)上達(dá)成了一致（即準(zhǔn)入門檻）。
（5）同時(shí)，數(shù)據(jù)分析緊鑼密鼓展開。經(jīng)過近8個(gè)月緊張的工作，2020年12月初，由波蘭水池進(jìn)行獨(dú)立分析、漢堡水池校核的驗(yàn)證報(bào)告出爐，該報(bào)告結(jié)果顯示新方法完全達(dá)到并大幅超出了委員會(huì)設(shè)定的指標(biāo)。在委員會(huì)內(nèi)傳閱的過程中，部分委員們提出了一些中肯意見，開發(fā)團(tuán)隊(duì)及時(shí)進(jìn)行了解釋和澄清，在委員會(huì)內(nèi)達(dá)成共識(shí)，并進(jìn)一步完善了報(bào)告。2021年1月底，吸納了新型波浪增阻預(yù)報(bào)方法（即SNNM方法）的ITTC實(shí)船測(cè)試分析規(guī)程在本委員會(huì)進(jìn)一步傳閱后，發(fā)顧問委員會(huì)批準(zhǔn)。
（6）2021年3月中旬，ITTC顧問委員會(huì)專門開會(huì)討論了SNNM方法。王金寶作為技術(shù)委員會(huì)主席，全面介紹了本方法開發(fā)、驗(yàn)證過程，并回答了現(xiàn)場(chǎng)專家提出的問題。經(jīng)過投票表決，新方法以高票贊同順利進(jìn)入ITTC規(guī)程，并在6月份召開的ITTC大會(huì)上確認(rèn)通過。
（7）目前，ITTC正在積極協(xié)助ISO15016工作組修訂試航中波浪修正方法，SNNM方法有望進(jìn)入新版的ISO標(biāo)準(zhǔn)。
5、開發(fā)的新方法與STAWAVE2方法相比的優(yōu)勢(shì)
新方法在[0,45°]和（45,180°]兩個(gè)浪向范圍內(nèi)與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.86。
基于相同的數(shù)據(jù)源，荷蘭的STAWAVE2在[0,45°]浪向范圍內(nèi)和試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.70，該方法不適用于大于45°的其它浪向。
可見，SNNM方法預(yù)報(bào)精度比STA2更高，適用浪向范圍比STA2更加廣；而且同樣不需要型線，只需要9個(gè)常用參數(shù)，易用性與STA2相當(dāng)。
6、關(guān)于新方法的討論
（1）驗(yàn)證船型的代表性
本委員會(huì)共計(jì)搜集了29條船舶的不同浪向下的試驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證SNNM方法。驗(yàn)證船型數(shù)量占比與世界船隊(duì)主力船型按照數(shù)量占比的對(duì)比如下表和下圖所示，可見主力船型數(shù)量比例大體相當(dāng)，代表了世界船隊(duì)的船型數(shù)量占比。
（2）波阻增加預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性
基于委員會(huì)規(guī)則波中數(shù)據(jù)源，基于SNNM方法的平均波浪增阻預(yù)報(bào)偏差為0（下圖），表明SNNM方法對(duì)于波浪增阻的預(yù)報(bào)既不保守，也不冒進(jìn)。
基于委員會(huì)數(shù)據(jù)源(413個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，規(guī)則波)
（3）短波中的波浪增阻
無因次的波浪增阻在波長(zhǎng)船長(zhǎng)比小于0.3的極短波中隨波長(zhǎng)減小而遞增，與部分試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象一致，如下圖所示。極短波中試驗(yàn)難度大、不確定因素多，試驗(yàn)數(shù)據(jù)目前還比較少。
油船預(yù)報(bào)和日本試驗(yàn)結(jié)果比較
大型箱船預(yù)報(bào)與荷蘭試驗(yàn)結(jié)果比較
HSVA關(guān)于郵船的試驗(yàn)結(jié)果
日本關(guān)于 SR221C 的試驗(yàn)結(jié)果
7、對(duì)策和建議
經(jīng)過不懈的努力，SNNM方法已經(jīng)順利進(jìn)入2021版的ITTC實(shí)船測(cè)試分析規(guī)程。由于預(yù)報(bào)精度高、適用波浪方向范圍廣，該方法受到各主要造船國(guó)的青睞，因此，盡快將SNNM方法并入航速修正程序中，顯得非常迫切，建議中國(guó)船級(jí)社牽頭開展有關(guān)工作。
當(dāng)前面臨的一個(gè)難點(diǎn)是極短波中的高質(zhì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常少，建議國(guó)內(nèi)有條件的單位開展有關(guān)研究，驗(yàn)證有關(guān)現(xiàn)象，提高預(yù)報(bào)精度。ITTC耐波性委員會(huì)已經(jīng)計(jì)劃開展這方面的研究，建議國(guó)內(nèi)有關(guān)單位積極參與比對(duì)。
此外，橫浪中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，離散度較大，仍然需要改善測(cè)量和預(yù)報(bào)精度。
參考文獻(xiàn)：
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.
