李 超， 楊斌方， 王化明

(1.浙江海洋學(xué)院 浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 舟山 316022；2.浙江欣海船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 舟山 316100)

高爾夫球效應(yīng)在高速船上的應(yīng)用分析

李 超1， 楊斌方2， 王化明1

(1.浙江海洋學(xué)院 浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 舟山 316022；2.浙江欣海船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 舟山 316100)

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，人們的生活節(jié)奏越來越快，作為水上最高效的運(yùn)輸工具，在當(dāng)今世界節(jié)能減排呼聲日益高漲的大背景下，更快更節(jié)能的高速船船型的開發(fā)和應(yīng)用更加迫切。本文首先對(duì)各種類型的高速船其發(fā)展歷程和基本流體力學(xué)的原理進(jìn)行分析，然后對(duì)日常娛樂生活中高爾夫球的飛行特點(diǎn)及其流場(chǎng)特征和減阻原理進(jìn)行科學(xué)分析，最后對(duì)該效應(yīng)在高速船上應(yīng)用的可行性及發(fā)展前景進(jìn)行了展望。本文研究可望為我國船舶設(shè)計(jì)部門開發(fā)新的高效節(jié)能高速船提供有益啟示。

高速船 船型開發(fā) 高爾夫球效應(yīng) 減阻節(jié)能

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和船舶工業(yè)制造技術(shù)的進(jìn)步，船舶的航行速度也得到了很大的提高。作為水上高速客運(yùn)工具的高速船，在當(dāng)今快節(jié)奏運(yùn)作的社會(huì)中越來越受到人們的青睞，并開始成為造船界競(jìng)相研究和開發(fā)的重要船型。通常高速船舶定義為“設(shè)計(jì)靜水時(shí)速在沿海水域?yàn)?25 kn及以上，在內(nèi)河通航水域?yàn)?5 km/h及以上動(dòng)力支撐的船舶和排水船舶，但不包括常規(guī)客船、貨船、滾裝船和集裝箱船[1]?！爆F(xiàn)在的高速船舶主要從事水上客運(yùn)、娛樂、體育賽事等項(xiàng)目。作為水上客運(yùn)的重要組成部分，高速船不僅提高了內(nèi)河和沿海的交通運(yùn)輸效率，減輕了陸路交通運(yùn)輸?shù)呢?fù)擔(dān)，還給人們的生活帶來了極大的便利。另一方面，隨著國際社會(huì)對(duì)船舶節(jié)能減排呼聲的日益高漲，如何減小高速船的航行阻力，在實(shí)現(xiàn)高航速的同時(shí)減少燃油的消耗已成為當(dāng)今世界高速船舶可持續(xù)發(fā)展所面臨的亟待解決的重要問題。

“高爾夫球效應(yīng)”是指在相同條件下，表面布滿凹坑的高爾夫球(如圖1所示)比同樣大小但表面光滑的小球(如圖2所示)飛行的距離更遠(yuǎn)。采取當(dāng)前在高爾夫球運(yùn)動(dòng)中發(fā)現(xiàn)的粘性流體流動(dòng)尾流場(chǎng)的變化原理，有望使高速船航行時(shí)的摩擦阻力顯著減小，從而增加船舶航行速度，提高船舶的營運(yùn)效率，減小燃料的消耗和廢氣的排放，實(shí)現(xiàn)高速船可持續(xù)發(fā)展。

圖1 布滿凹坑的高爾夫球

圖2 表面光滑的小球

2 主要高速船類型及其原理

世界先進(jìn)造船國家對(duì)高速船的研究和制造已有數(shù)十年的歷史。我國從20世紀(jì)60年代開始，也致力于國防和民用高速船研究，并且取得了實(shí)用性的進(jìn)展。其中，中國船舶工業(yè)在對(duì)軍用高速船的研究過程中積累了許多經(jīng)驗(yàn)和科研成果，改革開放后迅速轉(zhuǎn)向民用，推動(dòng)了中國高速船舶的發(fā)展。近幾年來中國工程技術(shù)人員在高速船的研究和開發(fā)方面也取得了很大進(jìn)展，現(xiàn)已開發(fā)使用的高速船類型主要有滑行艇、水翼艇、地效翼船等約30多種船型。高速船無論在軍用還是民用船舶方面都有著很大的發(fā)展前景。

(1) 水翼艇。

水翼艇的研究工作始于上世紀(jì)初，美國人William E. Meecham早在 1906年于Scientific American發(fā)表關(guān)于水翼原理的文章。后來貝爾與Forlanini在美國海軍的支持下開始建造水翼艇。二戰(zhàn)期間，英、德兩國的科學(xué)家對(duì)水翼艇進(jìn)行了大量改進(jìn)。上世紀(jì)50年代，意大利造船工程師在理論和先進(jìn)制造工藝的基礎(chǔ)上建造了大量水翼艇，其他一些造船強(qiáng)國也設(shè)計(jì)制造了各種軍用及民用水翼艇。我國從上世紀(jì)50年代末開始水翼艇的設(shè)計(jì)與研發(fā)，到90年代中期主要的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)掌握，國內(nèi)“遠(yuǎn)舟號(hào)”、重慶“公安202”和“遠(yuǎn)舟2000”相繼投入營運(yùn)，這標(biāo)志著我國內(nèi)河水翼船進(jìn)入了國際先進(jìn)行列。自主研制自控海洋水翼船技術(shù)也優(yōu)于其他國家的同類產(chǎn)品。

水翼艇在水中航行依靠水翼為其提供升力，水翼艇航行速度加大時(shí)，水翼提供的升力也隨之增大，最終使得船體整體或一部分抬升，減小了與水的接觸面積，進(jìn)而減小航行阻力，節(jié)約了燃油消耗。其航行阻力中由于流體粘性而產(chǎn)生的摩擦阻力成分占有相當(dāng)?shù)谋戎亍?/p>

(2) 高速滑行艇。

滑行艇是最早研究依靠水動(dòng)力航行的艇,關(guān)于滑行理論的研究也有近70年的歷史，迄今它已得到了廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)50年代開始，中國就大量建造和使用滑行艇和半滑行艇,并將其投入軍事領(lǐng)域。滑行艇在水上公安、輯私、漁政等各個(gè)方面也發(fā)揮著重要的作用。80年代以后,隨著國家改革開放政策的實(shí)行,各種民用滑行艇的建造數(shù)量也有大幅度增長，現(xiàn)在很多水上娛樂項(xiàng)目都離不開滑行艇。

滑行艇在高速航行時(shí)由于其特殊的船體結(jié)構(gòu)艇體會(huì)被抬升，減小了與水的接觸面積，使得航行阻力減小，速度進(jìn)一步提高，其摩擦阻力也占有相當(dāng)比重。

3 高爾夫球效應(yīng)及其應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)在高爾夫球運(yùn)動(dòng)已風(fēng)靡全球，瀟灑揮桿，小球進(jìn)洞。我們不難發(fā)現(xiàn)，高爾夫球的表面都帶有小凹坑。一開始高爾夫球采用的也是光滑小球，但后來人們發(fā)現(xiàn)在比賽中有個(gè)奇怪現(xiàn)象，很多高爾夫球手都喜歡用有劃痕的舊球，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)有劃痕的球比光滑的新球有著更優(yōu)秀的飛行能力。因此,科學(xué)家根據(jù)流體力學(xué)原理設(shè)計(jì)出了表面有凹坑的高爾夫球，這些凹坑讓高爾夫球的飛行阻力減小，同時(shí)平穩(wěn)性和距離性比光滑球更有優(yōu)勢(shì)。在相同條件下，表面布滿凹坑的高爾夫球比同樣大小但表面光滑的小球飛行的距離更遠(yuǎn)，這就是高爾夫球效應(yīng)。

(1) 高爾夫球效應(yīng)的減阻原理。

高爾夫球在空中快速飛行時(shí)，由于空氣的粘性會(huì)產(chǎn)生阻力，尾流區(qū)會(huì)形成湍流，湍流具有流場(chǎng)的漩渦性，漩渦消耗能量，從而使得尾流區(qū)高爾夫球表面的壓強(qiáng)低于來流的壓強(qiáng)，這樣就造成球表面的壓強(qiáng)非對(duì)稱分布，即球的前部是高壓區(qū)，后部是低壓區(qū)，前后部的壓力差導(dǎo)致形狀阻力的產(chǎn)生。要減小飛行時(shí)的阻力，一般是要盡量避免或是推遲邊界層分離現(xiàn)象，以減小尾流的范圍。高爾夫球表面帶有的小凹坑能夠起到擾亂邊界層的作用，恰好使得球表面的邊界層分離點(diǎn)推后，減小了尾流區(qū)的范圍，從而減小了高爾夫球的飛行阻力。

(2) 高爾夫球效應(yīng)的適用范圍。

高爾夫球表面的凹坑要想達(dá)到減阻的目的必須滿足一定的條件——邊界層分離。邊界層是附著在球表面的一層薄薄的速度梯度較大流體層。分離主要原因是物體后面流場(chǎng)發(fā)生逆流，形成尾流區(qū)。尾流區(qū)的形態(tài)主要由雷諾數(shù)Re決定，對(duì)于同一物體Re比較大時(shí)，邊界層分離現(xiàn)象明顯。當(dāng)Re>60時(shí)，便開始產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象，高爾夫球表面的小凹坑擾動(dòng)了邊界層使得邊界層分離點(diǎn)推后，球的尾流區(qū)減小，前后壓差變小，飛行阻力也因此減小，使小球飛得更遠(yuǎn)。船舶在航行過程中的Re一般會(huì)超過106。雖然船舶航行所處的流體介質(zhì)和高爾夫球運(yùn)動(dòng)的流體介質(zhì)性質(zhì)不同，但是船舶在航行過程中表面也會(huì)產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象。因此可以把這種高爾夫球效應(yīng)應(yīng)用到船舶的某些位置，達(dá)到減阻的目的。

(3) 高爾夫球效應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例及簡(jiǎn)要分析。

據(jù)相關(guān)資料介紹[11]，一些國外的科學(xué)家已成功把高爾夫球效應(yīng)應(yīng)用到了汽車上。他們?cè)谄胀ㄆ嚤砻娓街粚诱惩粒缓笤谡惩辽献龀鲱愃聘郀柗蚯虮砻嬉粯拥陌伎?，進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示：無坑9.3km/L；有坑:10.4km/L，省油達(dá)11%。這表明凹坑確實(shí)能夠減小汽車的阻力，更省油。

4 高爾夫球效應(yīng)在高速船上的應(yīng)用分析

(1) 高爾夫球效應(yīng)在水翼艇水翼上的應(yīng)用。

水翼艇在水中高速航行依靠水翼提供升力，使船體抬升，減小與水的接觸面積，來減小水翼艇的航行阻力，提高航行速度。但是水翼部分通常是完全或部分浸在水中，在航行時(shí)本身也會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，我們?cè)诓挥绊懫湔：叫械那闆r下，應(yīng)該盡量減小此部分的阻力，因此可以把高爾夫球效應(yīng)運(yùn)用到水翼上(如圖3所示)，使得水翼艇在高速航行時(shí)水翼部分的邊界層分離點(diǎn)后移，尾流區(qū)域減小，從而減小航行阻力，使得水翼艇在額定主機(jī)功率下獲得更大的航行速度，減小燃油的消耗。當(dāng)然，制造水翼表面的凹坑會(huì)增加制造成本，但如果省油達(dá)到10%以上，那么后期運(yùn)營后能夠節(jié)省很大一部分燃油費(fèi)，由此產(chǎn)生的生產(chǎn)成本的增加也可忽略不計(jì)。

圖3 表面帶凹坑的水翼

(2) 高爾夫球效應(yīng)在滑行艇上的應(yīng)用。

和水翼艇一樣，滑行艇是高速艇中的重要成員之一，把具有減阻效應(yīng)的高爾夫球小凹坑應(yīng)用到滑行艇的船體水線以下部分(如圖4 所示)，滑行艇在航行的過程中，這些小凹坑會(huì)擾亂流體邊界層，使得滑行艇的尾流區(qū)顯著減小，同樣起到減小航行阻力的效果，使得滑行艇更容易實(shí)現(xiàn)“滑行”。

圖4 船底表面帶凹坑的滑行艇

5 結(jié)束語

我國擁有5 800多條天然河流和一萬八千余公里漫長的海岸線，加上眾多的島嶼、海灣和湖泊，有很好的內(nèi)河和近海船舶客運(yùn)環(huán)境，船舶作為主要的交通工具的地位不可撼動(dòng)。水翼艇和滑行艇為代表的高速船在高速客運(yùn)和水上娛樂項(xiàng)目的發(fā)展前景非常廣闊。把高爾夫球效應(yīng)應(yīng)用到高速船上能夠起到減小航行阻力的目的，進(jìn)一步提高航行速度，節(jié)約燃

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料，符合當(dāng)今世界興起的綠色船舶節(jié)能減排浪潮的要求。此外，通過對(duì)高爾夫球效應(yīng)進(jìn)一步深入研究，可望推廣應(yīng)用到其他航行器節(jié)能減排領(lǐng)域，以產(chǎn)生更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

[ 1 ] 交通部港監(jiān)局.中華人民共和國高速船船員特殊培訓(xùn)、考試和發(fā)證辦法[S]. 1997.

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[11] http://baike.baidu.com/link?url=XW1H57YT 1r JHiFnfb YXko CQqKU8jl Bqy79s TyA2NfW5 FzlllEgM7pmcYd6aDI3XpyvSOayrs387qY71_28HFa.

Application of Golf Effect in High-speed Boat

LI Chao1, YANG Bin-fang2, WANG Hua-ming1

(1.Zhejiang Ocean University, Key Laboratory of Marine Fishery Equipment and Technology of Zhejiang, Zhoushan Zhejiang 316022, China; 2. Zhejiang Seahead Ship Design & Research Institute Co., Ltd., Zhoushan Zhejiang 316100, China)

With the social development and progress, the speed of people′s life is become faster and faster. As the most efficient waterborne carrier, vessels are playing an important role. Nowadays, the calls for conservation of energy and the reduction of emission are rising. Under this background, the energy efficient is more urgent. In this article, the development of various kinds of high speed vessels and the basic principle of fluid mechanics are firstly introduced, and then the entertainment in daily life——golf′s characteristics of flight and flow, and the drag reduction principle are scientifically analyzed. At last, the feasibility and prospect of the development about the applications of the golf effect used in high-speed vessels are studied. This work is expected to provide useful insights to develop new energy-efficient high-speed boat for our ship design departments.

High-speed boat Development of ship-form Golf effect Energy-saving by drag reduction

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51109186)，國家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2013GA700256)，浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012D40066)，舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013C11004)，浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)基金項(xiàng)目(MFET201401)。

李 超(1991-)，男，本科。

U674

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