孫鵬 趙藤
摘要:船舶節(jié)能以及提速一直是國內(nèi)外造船業(yè)關(guān)注的重點(diǎn),而船舶減阻無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,國與國之間的貿(mào)易往來主要通過船舶運(yùn)營(yíng),雖然提高了各國的對(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,許多國家正在努力地探求經(jīng)濟(jì)的船舶節(jié)能方式。
我國學(xué)者在這一技術(shù)上進(jìn)行過很多研究。例如武漢理工大學(xué)張大有在1996年的由中國造船工程學(xué)會(huì)、中國航海學(xué)會(huì)和中國工程院機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)部聯(lián)合召開的“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)。
國際造船業(yè)已經(jīng)開始進(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,主要通過優(yōu)化船型來實(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。這充分說明了氣膜減阻技術(shù)有很強(qiáng)的可行性。
國內(nèi)外對(duì)于氣膜減阻問題進(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。通過相應(yīng)的調(diào)壓閥來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,排氣管上要開出均勻的小孔,并且加裝空氣氣泵來增大氣壓,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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