孫鵬　趙藤

摘要：船舶節(jié)能以及提速一直是國(guó)內(nèi)外造船業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，而船舶減阻無(wú)疑是船舶提速和船舶節(jié)能的主要途徑之一，經(jīng)我們研究討論，認(rèn)為氣膜減阻技術(shù)具有很高的研究?jī)r(jià)值和可行性，因此成為了我們努力研究的方向。在此次船模設(shè)計(jì)中，我們?cè)诟咚偻У拇w相應(yīng)位置嵌裝導(dǎo)流槽，并在機(jī)艙內(nèi)加裝空氣壓縮泵，連接氣管，氣體從氣管上的微小氣孔逸出附著在船體表面形成微氣泡膜。通過(guò)船模試驗(yàn)，我們證明了氣膜減阻可以很好的提高高速艇的航速，從而達(dá)到節(jié)能減排的目地。

關(guān)鍵詞：氣膜；摩擦阻力；船模試驗(yàn)；節(jié)能減排

1.研制背景及意義

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及世界能源危機(jī)的不斷凸顯，各行各業(yè)都在尋求可持續(xù)發(fā)展方案，船舶行業(yè)也不例外。一直以來(lái)，國(guó)與國(guó)之間的貿(mào)易往來(lái)主要通過(guò)船舶運(yùn)營(yíng)，雖然提高了各國(guó)的對(duì)外貿(mào)易額，但是船舶能源消耗也在加大，因此在船舶業(yè)如何做到低碳成為了一個(gè)重要的議題，許多國(guó)家正在努力地探求經(jīng)濟(jì)的船舶節(jié)能方式。

我國(guó)學(xué)者在這一技術(shù)上進(jìn)行過(guò)很多研究。例如武漢理工大學(xué)張大有在1996年的由中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)、中國(guó)航海學(xué)會(huì)和中國(guó)工程院機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)部聯(lián)合召開(kāi)的“高速水運(yùn)發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”上介紹了關(guān)于“高速船模噴氣船底”的研究，并于1997年發(fā)表文章“關(guān)于‘氣泡船模的研究及關(guān)鍵技術(shù)的分析”，系統(tǒng)的介紹了關(guān)于“氣泡”船模的研究，認(rèn)為這是一種亟待開(kāi)發(fā)的高性能船型。我軍海軍工程工程大學(xué)董文才教授在國(guó)內(nèi)首次完成了氣層作用下的高速艇模型和實(shí)艇阻力的計(jì)算方法等，成功的掌握了實(shí)艇阻力減少25%的工程實(shí)現(xiàn)方法，為我國(guó)制造節(jié)能高效高速實(shí)體氣泡船奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

國(guó)際造船業(yè)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行微氣泡減阻技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用研究。據(jù)克雷洛夫研究院[5]的研究成果報(bào)道：他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功的產(chǎn)品有兩個(gè)型號(hào)，一是內(nèi)河氣泡艇“琳達(dá)”號(hào)；另一個(gè)是沿海用氣泡登陸艇“巖羚”號(hào)。他們的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)已優(yōu)于常規(guī)水翼船和側(cè)壁式氣墊船。

而我們研究的微氣泡減阻技術(shù)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是把空氣引入船體表面，在船底表面形成氣水混合的兩相流，從降低液體粘性系數(shù)的角度來(lái)減小艇體的摩擦阻力，達(dá)到高速航運(yùn)的目的。船舶微氣泡減阻技術(shù)可以顯著降低船舶燃料消耗，降低船舶氣體的排放量，提高船舶航速及續(xù)航力，因而具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事價(jià)值，這也是船舶減阻具有的重要意義。

2.設(shè)計(jì)原理及理論基礎(chǔ)

在船舶航行阻力中，由于流體介質(zhì)的粘性所引起的粘性阻力，按產(chǎn)生原因不同可分為摩擦阻力和形狀阻力。在低速時(shí)占總阻力的80%-90%，而在高速時(shí)，則接近60%，因此減小粘性阻力一直是船舶減阻的重點(diǎn)。在形狀阻力方面，主要通過(guò)優(yōu)化船型來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這里不做主要闡述。而我們研究的氣膜減阻法則是從減少摩擦阻力的方面來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶減阻，從而提高船舶的航行速度并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

表面摩擦阻力的減小就意味著降低能量消耗和節(jié)省燃料，或在可能提供的動(dòng)力條件下提高船體的航行速度。據(jù)克雷洛夫研究院研究成果報(bào)導(dǎo)：高速滑行艇在功率相同的情況下，采用氣層減阻可以提高航速10%-30%，在同樣速度下，可以降低主機(jī)消耗功率的20%-40%，而低速貨船，在同樣航速下，使用氣層減阻的船可以節(jié)省主機(jī)功率10%-30%。所需專業(yè)的壓縮機(jī)的功率不到主機(jī)功率的3%，且所需的空氣量不大。這充分說(shuō)明了氣膜減阻技術(shù)有很強(qiáng)的可行性。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于氣膜減阻問(wèn)題進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，有研究人員以二維平板為研究對(duì)象，設(shè)置主流速度為3m/s、噴入速度為0.9m/s、氣泡直徑為100為基準(zhǔn)，利用數(shù)值模型來(lái)具體分析各項(xiàng)因素是如何影響空隙率分布，進(jìn)而影響減阻率的。得出如下結(jié)論：噴入微氣泡能夠使得平板摩擦阻力的減阻率大幅減小，最大減幅預(yù)計(jì)可達(dá)85%；同一來(lái)流速度下，隨著噴氣流量的增大，減阻率增大，當(dāng)噴氣量達(dá)到一定程度后，此后增大噴氣量，減阻率變化不大；同一噴氣量下，隨著來(lái)流速度的增大，減阻率減少；在10-100范圍內(nèi)，雖氣泡直徑對(duì)空隙率和減阻率的影響不大，但還是直徑稍微大一些對(duì)減阻有利；不同噴氣角度下，直噴情況下減阻效果好。

3.設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的初步減阻方案是在船底導(dǎo)流槽、船首及船側(cè)強(qiáng)構(gòu)件的位置加裝排氣管，在機(jī)艙內(nèi)加裝空氣壓縮泵，連接排氣管，并在氣管以及船體外殼相應(yīng)的位置上開(kāi)出均勻小孔，使產(chǎn)生的氣體從船體上微小氣孔排出并附著在船體表面形成微氣泡膜。通過(guò)相應(yīng)的調(diào)壓閥來(lái)保證氣泡的大小和逸出速度，使其達(dá)到理想的減阻效果。

1）在船底導(dǎo)流槽內(nèi)龍骨兩側(cè)對(duì)稱嵌裝兩根排氣管，排氣管上要開(kāi)出均勻的小孔，并且加裝空氣氣泵來(lái)增大氣壓，并且船底兩側(cè)的導(dǎo)流槽也可起到縱向防逸的作用，來(lái)控制氣泡沿船體橫向的逸出，增大艇底氣泡的體積濃度，提高氣膜船的減阻效果。

2）在船深方向也加裝排氣管，為保證船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選擇在在船艏柱部分和船側(cè)的肋骨等強(qiáng)構(gòu)件位置加裝的排氣管，排出的氣泡借助浮力和水流的作用，可以緊貼船體部分表面，從而進(jìn)一步增大船體的氣體覆蓋表面，起到更好的減阻效果。

3）考慮到氣泡逸出至螺旋槳周圍可能影響螺旋槳的推動(dòng)作用，所以我們?cè)诖膊糠謱⒉磺堆b氣管。由于氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡線與軸線的夾角應(yīng)大于開(kāi)爾文角（19°28?），根據(jù)圖示可計(jì)算導(dǎo)流槽尾部的極限位置。

4.結(jié)論與展望

1、高速艇應(yīng)用氣膜減阻機(jī)理能夠減小阻力，提高航速。

2、針對(duì)高速艇，空心導(dǎo)流槽布置在船底中部，能有效增大氣膜的附著面積，提高減阻效果。

3、氣膜減阻效果受航速影響，相比于中高速時(shí)，低速時(shí)的速度增幅更為明顯。

4、受尺度效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)船模減阻效果較理論值偏低，主要是由于水粘性的作用，微氣泡直徑較大，無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果所致。

5、該設(shè)計(jì)方案主要以高速艇為參考，其減阻機(jī)理可拓展到其它船型，尤其是大型遠(yuǎn)洋船舶。

6、可把此設(shè)計(jì)方案優(yōu)化升級(jí)為空心導(dǎo)流槽氣膜減阻技術(shù)，將其作為一種獨(dú)立設(shè)備，使其更易安裝于現(xiàn)行船舶。

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