孫健

（上海港引航站，上海 200082）

對船舶造成阻力的主要因素是液體介質(zhì)，在水和空氣等流體作用下阻礙航行的力稱為船舶阻力。船體阻力的主要部分是船體的主要阻力。船體與水面接觸的部分的阻力為水流阻力，船體其他部分所受到的阻力主要為空氣阻力。另外，在航行過程中，船舶自身因素也會導(dǎo)致阻力發(fā)生變化，如船體與水面角度、航行速度等等，為此，應(yīng)按照具體情況確定降低船體阻力方法。

1 船舶航行阻力的定義和形式

船舶在航行中的阻力由多個阻力組成。具體來說，它是指作用在船體上阻止船舶移動的力，包括空氣阻力和水阻力，還可將其分成摩擦阻力、形狀阻力及興波阻力三種形式。摩擦阻力是將流體推入容器邊界層所需的力，它的大小取決于水的粘度、船的速度、船的長度、淹沒面積和表面粗糙度。也可降低形狀阻力當(dāng)做是渦流阻力，由于流體的粘度，將在邊界層周圍形成移動物體。隨著物體的長度和厚度，邊界層將以相同的速度和方向跟隨同一邊界層。當(dāng)運(yùn)動物體的形狀突然改變時，例如尾部、附件和邊界層的其他部分突然變厚，邊界層中的流速將會繼續(xù)下降。興波阻力是指在航行過程中，由于水是粘性的不可壓縮液體，但也會使水滴落，因此在沖擊力的作用下，水的高度會受到重力、水慣性和表面張力的影響。因此，水質(zhì)點(diǎn)開始波動，即形成波形，船首和船尾產(chǎn)生的波形能量非常大，其對船體的影響是消耗船舶的能量[1]。

興波阻力與船速之間主要可分為兩方面會進(jìn)行論述：一是艏橫波峰到達(dá)艉橫波系區(qū)域時艉橫波為波谷。然而，在其他情況下，船舶航行后的剪切波顯著增加，這不利于船舶航行期間的波形擾動。二是受到附加阻力和附加阻力的影響，附加阻力主要是指船舶和船體各種附件的開啟阻力。由于船體上油漆的剝落、腐蝕和粘附，船舶水面以上的空氣阻力將導(dǎo)致水下污染阻力。通常情況下，興波阻力主要由三個部分組成：空氣組織力、底部阻力、粘附阻力，如今已被廣泛應(yīng)用于航運(yùn)事業(yè)中[2]。

2 船舶阻力具體的影響因素

船舶在航行中的阻力與船型及航道之間相互影響、相互作用。船舶類型阻力除普通貨船及客船外，還有多種外界阻力因素。主要阻力特征具有多樣性，如果是方形尾翼，頭部有一個薄錐形、縱向尾翼直、方形尾翼寬，底部中心橫截面有一個大角度、底部有一個圓弧?？紤]到船體的特殊性，雙體船不僅具有兩個物體的摩擦阻力和興波阻力，還包括兩個物體之間的波形系統(tǒng)干擾引起的附加阻力。板間距越小，摩擦阻力越大。箱形船的阻力主要是指起重船、挖泥船、浮式船等。大多數(shù)箱形船在船體的四個側(cè)面形成圓角或攔截的組合，在靜水阻力的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整頭部和尾部的形狀因子來獲得箱形船舶阻力[3]。

當(dāng)船舶在淺水中航行或第一次航行受到限制時，船舶的阻力、速度和浮力將受到邊界條件的影響。淺水中船舶周圍的流速大于深水中的流速。在相同的速度下，流體壓力降低，導(dǎo)致船舶下沉，波形增加。淺水流速越高，阻力越大。渡槽的阻力有限。通常，渡槽的深度和寬度是有限的。此時，船舶的航行橫截面非常小，特別是當(dāng)接近臨界速度時，隨著船舶的前進(jìn)，船首附近的甲板和剪切波向淺水移動，而船首在壓力下降后，水面下降形成坡度，阻力增大。如果是在非常淺的航道中，為了避免螺旋槳、舵和船體處于危險狀態(tài)，應(yīng)對速度進(jìn)行合理安排。

3 船舶航行阻力

3.1 船舶航行阻力的主要組成

船舶作為一種以水為載體的交通工具，其在航行時將同時受到兩種流體介質(zhì)的阻力，即水流阻力與空氣阻力。而在船舶所受的所有阻力中，水流阻力是最主要的組成部分，對水阻力的研究主要集中在水阻力上。結(jié)合海況，船舶在靜水中航行的阻力分為靜水阻力和浪涌阻力。按照裸船與軸系支架、舵、艙底龍骨等附件之間水阻力的不同研究方法，裸船的水阻力分為靜水阻力和附加阻力?？紤]到環(huán)境條件，船舶在深水中的阻力不同于淺水或狹窄水域中的阻力[4]。

3.2 成因和分類

從弗洛伊德觀點(diǎn)分析來看，總阻力包括摩擦和殘余阻力，在額定力下，總阻力由作用在甲板上的橫向力和法向力組成，即摩擦阻力和壓力阻力。根據(jù)能量耗散的分類，船舶的總阻力由興波阻力和粘彈性阻力組成，將會造成波形能量及尾流能量的損失。雖然每種阻力都來自液體的作用力，但原因有所差異，摩擦阻力是由流體的粘度所引發(fā)，當(dāng)船舶在水中航行時，船舶周圍水的粘度將形成“邊界層”，在水面上產(chǎn)生剪應(yīng)力并產(chǎn)生摩擦力。摩擦是指船舶在水上航行時，由于甲板上壓力分布的變化而產(chǎn)生的運(yùn)動方向上的阻力[5]。

影響壓力分布的主要因素有兩個：一是由于水的粘度，不僅會增加船頭的壓力，減少船尾的壓差，導(dǎo)致船舶運(yùn)動阻力。船舶曲線的突然變化，特別是船尾的突然變化，會產(chǎn)生渦動，并降低渦動壓力，進(jìn)而使甲板上的壓力分布產(chǎn)生變化，這種由于水的粘度導(dǎo)致船舶壓力變化所產(chǎn)生的阻力即壓力阻力。二是當(dāng)船舶在空中和水中航行時，將有一個自由表面，船舶將在導(dǎo)航波形中上升。這種波動會引起甲板壓力的變化，即船首壓力和船尾壓力的增加，這會產(chǎn)生阻力，這種由高波形引起的阻抗稱為波阻抗。從能量守恒的角度來說，壓力阻力與波抗阻力都是由于能量的變化所產(chǎn)生的。粘性阻力只能在粘性流體中產(chǎn)生，波浪阻力也可以在理想流體中產(chǎn)生[6]。

3.3 航道的影響

對于船舶航行過程來說，不同的航道深度所產(chǎn)生的阻力也有所不同。當(dāng)一部分水偏向船側(cè)時，船舶的速度也會增加，因此淺水中隨粘性阻力增加的船舶波形相關(guān)參數(shù)不同于深水中隨粘性阻力增加的船舶波形相關(guān)參數(shù)淺水深度和船舶速度，即深水中，船舶的水深弗勞德數(shù)及行波數(shù)將發(fā)生顯著變化，使波形更強(qiáng)，并增加波形阻力。船舶在窄航道中的阻力特性與淺水中的阻力特性基本相同，但窄航道的寬度有限，因此船舶的阻力特性將更加明顯。大型船舶在限制性航道航行如圖1 所示：

圖1 大型船舶在限制性航道航行

4 減阻措施

4.1 提升傳播表面光滑度

對于運(yùn)行年限較高的船舶來說，其船身表面不可避免地會出現(xiàn)掉漆、銹蝕等現(xiàn)象，同時，一些海洋生物也會在船舶航行過程中吸附在船身表面如貝類、藻類等生物，導(dǎo)致船身表面而變得粗糙。而船舶所受到的阻力與船身表面粗糙程度有著直接的聯(lián)系，船身粗糙度與所受阻力呈正比，尤其是在淺水區(qū)域中，船舶周圍的水流流速相比于深水區(qū)域更大，因此當(dāng)船身表面不光滑時所受到的阻力也越大。因此，通過對航行數(shù)據(jù)的分析，航運(yùn)公司可以定期清潔或修復(fù)船底，以避免摩擦阻力繼續(xù)增加[7]。

4.2 采用合理航速

為了減少船舶的能源消耗，許多航運(yùn)公司會引導(dǎo)船舶使用經(jīng)濟(jì)航速來減少阻力。由于水流速度易于實(shí)時監(jiān)測和控制，并且摩擦阻力和壓力阻力與速度的平方成正比，因此很容易降低阻力，并且經(jīng)濟(jì)船速方法可以在船舶在航道中航行時，由于淺水深度的影響，大大降低船舶的有效阻力，船舶速度對船舶阻力的影響更為明顯，不僅因?yàn)榇爸車俣鹊脑黾訉?dǎo)致摩擦阻力和粘性阻力的增加，而且由于波形的變化，波形的強(qiáng)度增加，波形的阻力增加。在一定水深條件下，傅汝德數(shù)隨船速的增加而增加，當(dāng)傅汝德數(shù)增加到臨界值時，波阻急劇增加，使波阻抗占總阻抗的80%以上。因此，為了有效降低船舶在航道中的阻力，在保證船舶航行安全和效率的前提下，應(yīng)選擇合適的航速，盡量避免水深達(dá)到臨界區(qū)域傅汝德數(shù)[8]。

4.3 采用縱傾優(yōu)化技術(shù)

所謂縱傾優(yōu)化技術(shù)，是指在保證船舶整體質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、速度不變的情況下，對船舶的縱傾角度進(jìn)行調(diào)整，減少船舶所受阻力的技術(shù)。在大量的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐證明下，證明縱傾優(yōu)化技術(shù)是大型船舶減小阻力的有效方式，對于不同航行速度的船舶來說，縱傾值的選擇也有所不同。在船舶的航行過程中，對于縱傾值的調(diào)應(yīng)充分結(jié)合實(shí)際情況，如在潛水中，應(yīng)盡量減少船舶縱傾值，從而避免船舶出現(xiàn)擱淺風(fēng)險。通過調(diào)整船舶的縱傾值，可以有效改變船首與船尾的進(jìn)口角度，減少船舶在航行中所受到的阻力[9]。大型船舶在限制性航道航行如圖2 所示：

圖2 大型船舶在限制性航道航行

4.4 高分子聚合物添加劑減阻法

聚合物減阻劑廣泛應(yīng)用于船舶減阻，這一原則已在許多領(lǐng)域得到認(rèn)可。然而，由于高分子聚合物添加劑的應(yīng)用成本較高，因此高分子聚合物添加劑減阻法的應(yīng)用范圍并不廣泛。所謂高分子聚合物添加劑減阻法，主要是向影響船舶阻力的液體中添加聚合物，從而降低船舶甲板的摩擦系數(shù)，降低船舶與海水之間的摩擦阻力。另外，有研究表明，長期使用高分子聚合物添加劑會造成海洋環(huán)境的污染，因此在使用高分子聚合物添加劑時，應(yīng)注意高分子聚合物添加劑的用量。

5 結(jié)束語

船舶減阻技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展將為未來航運(yùn)業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，在船舶運(yùn)行中，可有效降低船舶阻力，節(jié)約能源。船舶減阻的概念來源于對自然生物的研究和自然現(xiàn)象的啟示。因此，生物物理學(xué)、仿生學(xué)和新材料科學(xué)已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前提保障。如今，船舶減阻方法已經(jīng)應(yīng)用于航海，但在未來我國船舶發(fā)展中，在為船舶研究創(chuàng)造價值的同時，還需要不斷探索其具體效益，當(dāng)前還有許多技術(shù)問題需要解決，以便為我國航運(yùn)事業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。