团 体 标 准
T/CSNAME 211—2026
极地船舶冰区回转性能快速评估方法
Rapid assessment method for ice navigation maneuvering performance of polar
vessels
2026 - 02 - 12 发布 2026 - 05 - 11 实施
中国造船工程学会 发 布
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国造船工程学会船舶标准化专业委员会提出。
本文件由中国造船工程学会归口。
本文件起草单位：上海交通大学、中国船级社上海规范研究所、 中国船舶集团有限公司第七〇八研究所。
本文件主要起草人：周利、丁仕风、张钰菲、王峥嵘、李放、崔濛、吴刚、曹晶。
极地船舶冰区回转性能快速评估方法
1 范围
本文件规定了极地船舶冰区回转性能的直接快速评估方法(以下简称评估方法)的评估流程、评估要求、评估结果的评定与验证。
本文件适用于极地船舶冰区回转性能评估。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
T/CSNAME 210—2026 极地船舶冰区阻力与推进功率快速预报方法
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3. 1
回转性能 turning ability
操满舵使船舶做回转运动的性能。
4 符号和缩略语
4. 1 符号
表1所列符号适用于本文件。
表1 符号说明
表1 符号说明(续)
4. 2 缩略语
下列缩略语适用于本文件。
MMG：分离型船舶操纵性模型(Maneuvering Modeling Group);
CFD-DEM： 计算流体力学与离散元耦合方法(Computational Fluid Dynamics–Discrete Element Method)。
5 评估流程
极地船舶破冰能力与冰区回转性能快速评估计算流程如图1所示，计算说明如下：
a) 输入海冰参数、船舶参数与其他参数。其中， 海冰参数主要包括海冰的几何参数、物理参数与力学参数， 船舶参数主要包括船舶主尺度、船体模型和操纵性参数，具体见6.1;
b) 计算作用在船体上的外载荷，包括冰载荷、推力、舵力和浮力。其中冰载荷分为破冰载荷与清冰载荷，破冰载荷依据环向裂纹法计算，清冰载荷依据非光滑离散元方法计算，具体计算方法见T/CSNAME 210—2026;
c) 基于MMG模型建立船舶操纵性方程，计算水动力导数得到作用在船体上水动力，借助经验公式就散附加质量与附加惯性矩，将计算得到的外载荷代入方程求解，更新船体位姿;
d) 当船舶回转角度达到180°时，结束数值模拟。根据船舶位姿时历曲线，确定战术直径;
e) 若计算得到的战术直径不大于用户设置值，则满足要求;若不满足要求，则通过修改型线形状、优化附体设计和改善推进器配置以提升操纵性。
图1 极地船舶冰区回转性能快速评估流程图
6 评估要求
6. 1 参数确定
6.1.1 海冰参数
海冰参数主要包括海冰的几何参数、物理参数与力学参数，具体如下：
a) 几何参数：厚度;
b) 物理参数：密度;
c) 力学参数：弯曲强度、挤压强度、弹性模量、泊松比、船-冰摩擦系数。
6.1.2 船舶参数
船舶参数主要包括船舶主尺度、船体模型和操纵性参数，具体如下：
a) 主尺度：水线长、船宽、吃水、排水体积、艏柱倾角、1/4 半宽水线角、湿表面积;
b) 船体模型：船体三维模型文件;
c) 操纵性参数：螺旋桨直径、敞水特性曲线、螺旋桨纵向位置、舵展弦比、舵面积、舵高。
6.1.3 其他参数
其他参数具体如下：
a) 海水密度;
b) 运动粘性系数;
c) 重力加速度。
6. 2 外载荷计算
6.2.1 螺旋桨推力模型
6.2.1.1 轴桨系统
螺旋桨除了纵向的力外，其他方向上所能提供的力和力矩足够小，可认为螺旋桨只提供纵向推力XP。计算螺旋桨推力时，先基于螺旋桨敞水实验数据拟合出螺旋桨敞水推力系数与进速系数的关系，再根据推力系数计算纵向推力XP。
螺旋桨推力XP表达式如式(1)所示。
Xp = (1 __ tp)pn2DKT ································································ · (1)
KT = a0 + a1J + a2J2··································································· (2)
进速系数可由式(3)计算得到。
J = u(1 __ wp)/(nDp) ··································································· (3)
操纵运动中螺旋桨的有效伴流分数wp伴流分数与直航运动中不同，采用式(4)进行估算。
wp = wp0 exp(__4.0 . β) ································································ (4)
螺旋桨位置处的几何漂角由式(5)计算得到。
βp = β __ xpr/v ······································································· (5)
船舶坐标原点的漂角由式(6)计算得到。
β = __ sin ········································································ (6)
Xp = (p/2)[V + (0.7πnDp)2](π/4)DC ················································· (7)
荷兰船模试验水池对120只B系列螺旋桨进行了敞水试验，给出部分螺旋桨的推力系数的回归公式及回归系数，后对其回归公式进行修正，修正后的C可由式(8)和(9)计算得到。式中A(k)和B(k)为回归系数，如表2所示。
表2 推力系数回归公式系数
表2 推力系数回归公式系数(续)
6.2.2 舵力模型
作为应用最为广泛的船舶操纵装置，舵的性能很大程度上决定了船舶操纵性的优劣。在计算舵力和舵力矩时，首先考虑舵的敞水特性，再分析船体、螺旋桨和舵之间的相互作用，得到的舵力及操舵引起的水动力导数如式(10)所示错误!未找到引用源。：
αH = 0.6784 __ 1.3374cb + 1.8891c ·················································· (11)
舵的推力减额系数tR 通常可取0.29，当考虑船型对tR 的影响时，可由式(12)计算得到。
tR = 0.2618 + 0.0539cb __ 0.1755c ··················································· (12)
当考虑螺旋桨和船体对舵的干涉作用时，FN 计算公式如式(13)所示。
FN AdU sin αR ··························································
螺旋桨的轴向诱导速度使得舵处于桨尾流中舵效所有提高。计算桨轴向诱导速度一般有两种理论方法：动量理论方法和升力线理论方法。升力线理论方法极为复杂， 在船舶操纵领域很少采用。一般利用动量理论配以模型试验修正的方法计算桨轴向诱导速度，进而求得桨尾流中舵的有效来流速度。有效来流速度UR 具体如式(14)和(15)计算得到。
UR
滑脱比由式(16)计算得到。
s ······································································ (16)
η为系数，由式(17)计算得到。
η = Dp /hR ·········································································· (17)
KR 由式(18)计算得到。
KR ······································································· (18)
舵的有效伴流分数由式(19)计算得到。
WR = WR0 exp (__4.0 . β) ····························································· (19)
有效舵角由式(20)计算得到。
αR = δ + δ0 __ YβR ··································································· (20)
零正压舵角由式(21)计算得到。
δ0 = __ (2s + 0.6) ···································································· (21)
舵处漂角由式(22)计算得到。
βR = β + Lr/V ······································································ (22)
整流系数由式(23)计算得到。
Y = cp cs ············································································ (23)
系数cp 可由式(24)计算得到。
cp
系数cs 可由式(25)计算得到。
cs
6.2.3 浮力模型
船体模型由三角网格表示，切割得到水下部分网格，利用四面体的有符号体积方法求解排水体积与浮心，即可得到作用于船体模型的浮力与浮力矩。四面体的有符号体积方法具体为每个三角网格与原点构成一个四面体，计算其有向体积，求和得到总体积，加权平均得到浮心位置。
6.3 船舶操纵性方程求解
6.3.1 MMG 模型
船舶操纵性方程采用MMG模型，即分离型船舶操纵性模型。MMG模型把作用在船-桨-舵系统上的水动力分为作用在船、桨、舵三者之上的三部分之和， 并用水动力干扰系数表达它们之间的水动力相互作用。三自由度MMG方程表达式如式(26)：
6.3.3 船体水动力导数
6.3.3.1 流体动力模型
船体水动力XH, YH, NH 计算主要考虑一般工况，即常速小漂角情况，流体动力模型采用井上模型，如式(30)所示。
6.3.3.2 直航阻力
船舶直航阻力在船舶流体阻力中占有较大的比重，直航时船舶所受阻力求解准确性能够对船舶操纵性预报精确性起到直接影响。直航阻力系数Xu9u 可由式(31)计算得到。
X ct ········································································ (31)
S = LBT
船舶总阻力系数ct 可由式(33)计算得到。
ct = cf + cr + Δc ··································································· (33)
船舶摩擦阻力系数cf 采用1957 ITTC公式计算。该公式为1957年国际船模实验池会议提出的实船-船模换算公式，如式(34)所示。
········································································ (34)
粗糙度补贴系数Δc可根据表3选取。
表3 粗糙度补贴系数
雷诺数Re由式(35)计算得到。
Re ············································································· (35)
剩余阻力系数cr 主要由兴波阻力和涡流阻力构成，而这两部分阻力目前还无法精确计算，只能依据适合的船型选择相应的阻力图谱进行近似估算。常用图谱的有泰勒图谱、系列60图谱和兰波-奥芬凯勒图谱。
6.3.3.3 线性水动力导数
线性水动力导数可采用如式(36)所示的井上近似公式进行计算。
展弦比λ可由式(37)计算得到，与船长和船舶平均吃水相关。
·············································································· (37)
平均吃水T可由式(38)计算。
T ··········································································· (38)
无量纲吃水差可由式(39)计算得到。
·········································································· (39)
系数lv 可由式(40)计算得到。
lv
船宽方向的非线性水动力导数可由如式(42)所示的回归公式进行计算。
转首力矩非线性水动力导数同样可由回归公式计算，如式(43)所示。
6.4 战术直径计算
提取仿真得到的船舶位姿时历数据，船舶在转向180°时，计算此时船体重心与初始航向之间的垂直距离，即为战术直径。
7 评估结果的评定与验证
评估方法计算出的战术直径记为Rcal ，预报误差不超过10% 。用户方提供的要求的战术直径为[Rallow]。当Rcal ≤ [Rallow],回转性能满足要求。
参 考 文 献
[1] 中国船级社,钢质海船入级规范,2025
[2] 中国船级社,重型破冰船规范,2024
[3] 国际海事组织(IMO)，船舶操纵性标准(Standards for ship manoeuvrability)
评论