风浪对船舶油耗的影响

风浪会给船舶航行带来附加阻力(这里的“附加阻力”仅包含汹涛阻力和风阻，通常所说的“附加阻力”还包含附体阻力)，推进效率的降低必然导致油耗的上升。当主机有充足的功率储备(power margin)时，船舶在风浪中保持恒定的航速是可以做到的。由此增加的油耗来自为对抗附加阻力而提升的螺旋桨转速或桨距。如果主机已经达到满负荷状态，则航速必然会有所下降，在推力与附加阻力达到平衡之后，航速才会停止下降、保持稳定。由此增加的油耗来自航速降低导致的航行时间延长。由于船用柴油机在最大扭矩上的限制，只有装备了变距螺旋桨或柴油-电力推进系统(diesel-electric propulsion system)的船舶才具备在风浪中保持恒定输出功率的能力。而柴油机直接驱动(directly driven)或定距螺旋桨船舶因风浪影响而减速时往往无法提供额外的扭矩来平衡附加阻力，所以此类船舶在遭遇风浪时降低主机输出功率是不发避免的。这种情况下，船舶的耗油量由降低的功率和延长的航行时间二者共同决定。因为，虽然航行时间延长了，但是主机降低输出功率后单位时间的油耗要比满负荷时小。航行过程中，当出现前甲板上浪、严重碰撞、主机飞车、剧烈摇摆、无法保持航向等特殊情况时，船舶抗风浪性能会显著降低，这时应该主动降低航速或调整航向。大多数情况下，只要天气情况不理想，船舶主机就面临着很大的危险。所以应该提前采取调整航向等主动防范措施，但这无疑会增加航行时间和油耗。总的来说，对于海上的风浪，无论采取提前防范还是即时应对的措施，都不可避免的增加了航程，而船舶往往会在风浪较小时采取提高航速的方法来减小时间的延误，而这同样会造成更多的燃油消耗。
新增燃油消耗的估算恶劣的天气使船舶被迫增加航行时间，从而消耗更多的燃油。研究者们进行了一个实验，实验模拟了固定航线上的高速船舶，在风浪条件下的失速情况。实验结果表明，风浪产生的附加阻力约占全部航行阻力的5-10%，其中风的阻力占三分之一左右。这表明，假设船舶在风浪中能够保持原来的航速，油耗将会增加约5-10%。然而实际情况是，船舶在遭遇风浪，主机推进效率降低时，航速会有所降低。航行阻力增加5-10%通常意味着航速降低2-5%，即使主机能够保持原来的输出功率，那么由航行时间延长带来的油耗增加也应该在2-5%左右。上面分析的只是一个简化情形，事实上在风浪环境中采取的主动减速、调整航向等措施，以及为减小时间延误而在风浪较小时进行的加速都会造成更多的燃油消耗。
附加阻力的构成实验表明，波浪所带来的汹涛阻力主要来自船舶的前方。值得注意的是，船的首尾舷所遭受的海浪冲击比正前方要多25%，这些海浪使船体与行进方向之间产生一个角度——漂角(drift angle)，而这个角度反过来更进一步加剧了首尾舷遭受的冲击。汹涛阻力主要由两部分构成：一是波浪引起船体的颠簸造成的（升沉和纵摇）；二是由波浪的反射造成的。采用切片理论（strip theory）或 3D panel code 来估算汹涛阻力已经被证明并不十分可靠。为此，MARIN (Maritime Research Institute Netherlands) 对4I型船的测试数据重新进行了分析。现有的模型在计算此类船型的附加阻力时，通常将其当作普通的波浪阻力。实验数据表明，这些计算方法并不理想，不同模型得出的结果相差很大。此外，这些方法普遍低估了风浪较大时船首外漂（bow flare）对船的影响。风阻的大小和风向、风速直接相关，而通过漂角对船舶航行造成的间接影响却往往被忽略了。实验表明，船体的横摇在减摇鳍的帮助下，通常不会给船舶带来很大的附加阻力。然而船尾部的波浪与减摇鳍相作用会产生新的阻力，这对小展弦比减摇鳍（low-aspect ratio fin）来说尤为明显，而目前的计算模型同样没有考虑此类减摇装置的影响。
设计的重要性尽管由风浪带来的附加阻力是有限的，但由此而来的额外油耗仍然是船舶设计者应该考虑到的问题。只有以最恰当的速度航行在最恰当的航线上，船舶才能为企业创造最大的经济效益。为了达到在风浪环境中节约燃油的目的，船舶设计时需要做到：增大干舷(freeboard)、避免螺旋桨空泡、减小船首外漂斜升，主机要具有足够的扭矩和适应力，船体需具有足够的稳定性和保持航向的能力。此外，减小船宽、避免船首的水线面过于丰满，也都是效果非常明显的措施。总之，只有采用科学的设计方法，从实际出发，而不是仅仅依照合同，才能设计出对航线最为合适的船舶。