胡 東

(貴港船舶檢驗(yàn)局，廣西 貴港 537100)

0 引言

影響船舶阻力的主要是流體介質(zhì)，是流體力學(xué)的研究范疇。在水和空氣等流體的影響下對(duì)船舶航行具有阻礙作用的力叫做船舶阻力。船體阻力的主要部分是主船體所受阻力；船體接觸水面的阻力為流水阻力；未接觸到水面的船體阻力為空氣阻力。航行過(guò)程中由于船型、流速等原因船體所受阻力也有所差異，因此減少船舶阻力的方法要根據(jù)船體實(shí)際情況來(lái)確定。

1 影響船舶阻力的因素

船舶在航行過(guò)程中影響其動(dòng)能的主要因素是船舶阻力，影響船舶阻力的因素主要有船型、船速、流體介質(zhì)以及航行狀態(tài)。因此，不同的船舶在航行過(guò)程中所產(chǎn)生的阻力是不同的，相同時(shí)速與船型在不同介質(zhì)和水面航行所受阻力亦不相同，在研究船舶阻力時(shí)要綜合船型和流體介質(zhì)進(jìn)行分析。

1.1 船型對(duì)航行阻力的影響

根據(jù)力學(xué)研究表明，不同的船體在航行過(guò)程中所受流體阻力是有差異的，船舶由于用途不同在設(shè)計(jì)上所考慮的因素各有差異。因此，在研究上只取用船型參數(shù)來(lái)表示其具體特征，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上就是排水量長(zhǎng)度系數(shù)、方形系數(shù)、棱形系數(shù)以及船舯橫剖面面積。

(1)船體的細(xì)長(zhǎng)程度體現(xiàn)在排水量長(zhǎng)度系數(shù)上，船體長(zhǎng)度與排水量的關(guān)系比直接影響船舶航行的阻力。通過(guò)排水量的大小可以判斷船只的長(zhǎng)度，而船舶在設(shè)計(jì)過(guò)程中為減少阻力也將長(zhǎng)度與寬度考慮在內(nèi)，越長(zhǎng)的船只的跨度就越窄，阻力也就越小，這也是為什么目前梭型船在航運(yùn)中最常見(jiàn)的原因。當(dāng)船只排水量增大時(shí)，就必須拓寬船只跨度，船型跨度變大后阻力隨之增大，摩擦力與剩余阻力構(gòu)成船舶阻力。

(2)船舶的寬度比也就是方形系數(shù)，方形系數(shù)對(duì)于船舶阻力的影響可以說(shuō)是產(chǎn)生船舶阻力的最小因素。從局部看，對(duì)于追求速度的軍用船舶等影響較大，其摩擦力影響因素所占比例較小但對(duì)剩余阻力來(lái)講就比重較大，其產(chǎn)生的剩余阻力是細(xì)長(zhǎng)船型產(chǎn)生的1.5倍左右。從整體分析，船體扁平程度吃水總阻力影響不大，可以忽略不計(jì)。

(3)棱形系數(shù)同方形系數(shù)一樣只考慮其剩余阻力對(duì)于船舶阻力的影響，當(dāng)剩余阻力過(guò)大時(shí)就說(shuō)明棱形系數(shù)較高。

根據(jù)以上分析表明，船型對(duì)于船舶阻力的影響主要取決于船舶系數(shù)的變化，為減少船舶阻力選取船型時(shí)必須分析這三個(gè)系數(shù)，只有當(dāng)三個(gè)系數(shù)指標(biāo)都減小時(shí)，船舶的阻力才會(huì)減少。

1.2 船舶航速對(duì)阻力的影響

船舶航行時(shí)速度的提升與阻力的變化有直接關(guān)系，當(dāng)船舶速度不斷提升，船體底部與水面接觸面積將逐漸變小，速度最快、阻力最小時(shí)基本與水面接觸面積僅有?？炕蚵偾斑M(jìn)時(shí)的1/3。船體在快速行進(jìn)中會(huì)主動(dòng)抬升，抬升度越大與水面接觸面積越小，抬升過(guò)程就是由水阻力向空氣阻力變化和船舶阻力減小的階段。船體抬升的原理就是力學(xué)中常見(jiàn)的兩個(gè)原理。同等條件下水阻力大于空氣阻力，而這種阻力差會(huì)形成一個(gè)壓力差，此時(shí)產(chǎn)生的壓力差是由于空氣阻力與水面阻力上大下小形成的流速壓力差，這就是造成船舶主動(dòng)抬升的原理之一。

2 船舶減阻方法分析

2.1 肋條減阻法

20世紀(jì)70年代科學(xué)家在進(jìn)行海豚的游動(dòng)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，海豚身上的肋條有助于其游動(dòng)的阻力減小，由此仿生學(xué)家展開(kāi)研究，首次在船舶航行中提出肋條減阻法。肋條溝槽表面降低水動(dòng)力阻力的機(jī)理不僅打破傳統(tǒng)觀念，還為船舶減阻帶來(lái)新的研究方向，表面越光滑對(duì)水阻力越小的思維被徹底廢棄。

經(jīng)過(guò)技術(shù)發(fā)展與研究，運(yùn)用仿生學(xué)家在海洋生物身上得到的啟發(fā)，研究人員對(duì)各種溝槽形狀的減阻能力進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)具有最佳減阻特性的是三角形溝紋。與此同時(shí)，研究人員對(duì)溝槽面湍流減阻的原理進(jìn)行分析，認(rèn)為水面與船底相接觸的粘流底層厚度對(duì)船舶減阻有所影響，溝槽內(nèi)會(huì)產(chǎn)生二次旋渦，這是水流逆流進(jìn)溝槽內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能交換，從而降低了總阻力。

2.2 船舶氣幕減阻法

目前，我國(guó)高校和科研工作者提出一種新型船舶減阻技術(shù)，就是將船體表面流體性質(zhì)改變，通過(guò)技術(shù)手段讓船體表面形成氣層，以便降低船舶航行的阻力。該技術(shù)原理主要是通過(guò)船身氣孔向船體表面以及船底水面注入空氣和船舶航行產(chǎn)生的廢氣，將船舶周?chē)牧黧w改變，形成新的流動(dòng)循環(huán)體系，將船體表面與水面的粘流度分離，減少摩擦阻力對(duì)船舶的影響。

這種利用水面與空氣密度差的隔離式空氣膜將船體整個(gè)包裹形成“保護(hù)罩”，且有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)改變船體流體和密度并進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧髁克倏刂?，可以有效地減阻，還能減少能耗。因此，這項(xiàng)技術(shù)被大量運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，其減阻研究前景是目前為止船舶工程和流體力學(xué)的研究熱點(diǎn)，并逐漸形成一個(gè)新的學(xué)科體系。

2.3 氣泡減阻法

氣泡減阻法的應(yīng)用主要分為兩種情況：(1)微氣泡減阻，適用于對(duì)速度要求不高的船只使用；(2)大氣泡減阻，適用于小型高速船艇。兩者的共同點(diǎn)都是將氣體引入船底，在船底形成氣泡流，利用氣泡減小摩擦阻力降低流體粘流性，以此減少船舶航行的阻力。

微氣泡減阻是船舶運(yùn)輸過(guò)程中在船底和水面之間形成一層保護(hù)層，通過(guò)改變摩擦減少摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶減阻。但是由于氣層邊界內(nèi)層氣泡在船舶行駛中容易產(chǎn)生形變，因此必須將其產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力當(dāng)作流體能量進(jìn)行儲(chǔ)存。這樣既能達(dá)到減少能源消耗又能實(shí)現(xiàn)減少船舶阻力的預(yù)設(shè)，已經(jīng)是當(dāng)前船舶減阻設(shè)想實(shí)施過(guò)程最為成功的方法之一。

大氣泡的減阻原理則是利用船底底倉(cāng)空間將空氣儲(chǔ)存在空腔中，形成一個(gè)大型密閉氣倉(cāng)，達(dá)到減少摩擦成功減阻的目的。

但氣泡減阻的方式運(yùn)用于實(shí)踐還需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究，在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用過(guò)程中雖然有所裨益，但是還是會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面的影響。由于氣泡的制造和使用過(guò)程具有不可控性，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣泡的形變和內(nèi)力結(jié)構(gòu)變化，因此將此設(shè)計(jì)思想在工程中具體實(shí)現(xiàn)還需要時(shí)間。

2.4 高分子聚合物添加劑減阻法

高分子聚合物添加劑減阻是目前運(yùn)用較廣泛的船舶減阻手段，其原理使用于多個(gè)領(lǐng)域，并且公認(rèn)效果良好。但是高分子聚合物添加劑成本較高，當(dāng)前科研人員雖然為降低成本進(jìn)行了大量研究和資金投入，卻效果甚微。這種技術(shù)運(yùn)用于船舶減阻主要是在影響船舶阻力的流體內(nèi)添加高分子聚合物，通過(guò)改變流體與船舶的摩擦力減低船舶表面的摩擦系數(shù)達(dá)到減小船舶阻力的目的。大量高分子聚合物添加劑的使用也會(huì)給江海環(huán)境造成影響，長(zhǎng)期大量使用必定會(huì)帶來(lái)后患，對(duì)聚合物添加劑的使用標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行嚴(yán)格劃分和規(guī)劃。

3 結(jié)語(yǔ)

船舶減阻技術(shù)的應(yīng)用和研發(fā)對(duì)于未來(lái)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展有至關(guān)重要的幫助，減少能源消耗是高耗能產(chǎn)業(yè)節(jié)源開(kāi)流的最有效措施。面對(duì)航運(yùn)來(lái)講減小船舶阻力就是在有效地進(jìn)行能源節(jié)約。在未來(lái)的船舶阻力研究中必須從產(chǎn)生阻力的原因入手進(jìn)行研究，船舶減阻的概念源自于對(duì)自然生物的研究和自然現(xiàn)象的啟發(fā)，因此生物物理學(xué)、仿生學(xué)、新型材料學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代船舶發(fā)展的科技基礎(chǔ)。文章中所述船舶減阻方法已經(jīng)在船舶航行中有所運(yùn)用，但其具體效益還是需要在未來(lái)的船舶發(fā)展中不斷摸索，在為我國(guó)航運(yùn)研究創(chuàng)造價(jià)值的同時(shí)還有很多技術(shù)性難題亟待解決。