黃瑩HUANG Ying；畢堅裔BI Jian-yi；牛震宇NIU Zhen-yu

（①渤海船舶職業(yè)學(xué)院，葫蘆島 125000；②渤海船舶重工有限責(zé)任公司博士后工作站，葫蘆島 125004）

1 研究背景

隨著能源緊缺和環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，國內(nèi)外對各行各業(yè)的能耗及污染問題都提出了更高的要求，船舶行業(yè)也需科學(xué)經(jīng)濟(jì)的節(jié)能方式以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。船舶減阻是提高船舶經(jīng)濟(jì)性的最主要途徑，因此，氣體減阻技術(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。如俄羅斯于1993 年建成了排水量為24.6t 的內(nèi)河船“琳達(dá)”號，是世界上第一艘氣泡減阻船[1]。中國船舶重工集團(tuán)公司第702 研究所自主設(shè)計研制了百噸級氣膜減阻原理樣船，該設(shè)計已成功地在中國長航集團(tuán)的長航洋山2 號400TEU敞口集裝箱船上進(jìn)行了實(shí)船測試，氣體減阻裝置的綜合節(jié)能效果可達(dá)7%以上[2]。

目前，越來越多的人通過高端體育娛樂來提升自己的生活品質(zhì)，快艇現(xiàn)在已成為運(yùn)動、娛樂、休閑的大眾消費(fèi)品，關(guān)于船舶氣體減阻技術(shù)對快艇應(yīng)用價值的研究，具有十分重要的意義。

2 船舶氣體減阻的基本理論

2.1 氣泡減阻技術(shù)原理

為了減少船舶航行時所產(chǎn)生的摩擦阻力，在航行的船舶與水之間注入氣體，工程上通常通過氣泡發(fā)生裝置，在船舶底部形成氣泡層，在船舶周圍形成氣液兩相流，如圖1 所示，從而改變船舶與水接觸面附近的流體密度和黏度，這便會降低船舶航行時的摩擦阻力。

圖1 氣泡減阻原理示意圖

2.2 氣泡減阻所涉及的相關(guān)參數(shù)

在氣泡減阻原理中，想要合理地描述和分析氣泡減阻效果，就要準(zhǔn)確地對氣液兩相流進(jìn)行描述，所涉及到的氣液兩相流參數(shù)主要包括：

體積含氣率：單位時間內(nèi)流過某已截面的兩相流總體積中氣相所占的比例。

式中，φ——體積含氣率；

G″——?dú)庀嗟捏w積流量；

G′——液相的體積流量；

A″——?dú)庀嗨嫉牧魍娣e；

A′——液相所占的流通面積。

截面含氣率：氣液兩相流在任意截面上氣相所占的截面比例。

式中，α——截面含氣率。

噴氣率：表征噴氣面積與噴氣體積流速和水的來流速度三個參數(shù)的無量綱量。

式中，p——噴氣率；

Q——噴氣體積流量；

AP——噴氣孔面積。

兩相流密度：氣液兩相流的密度，由氣相密度和液相密度共同決定。

式中，ρ 為密度。

兩相流速度：

2.3 船舶阻力的經(jīng)典計算方法

HARTMUT 等[3]利用剪切應(yīng)力來估算船舶氣體減阻效果，并提出了氣泡減阻的簡化應(yīng)力模型：

令τ 為微氣泡射流剪切應(yīng)力，γ 為微氣泡與水混合后的渦粘性系數(shù)，則τ 與不通氣泡時的τl的比值為

艇在航行時速度遠(yuǎn)大于氣泡運(yùn)動速度，氣泡對水速的影響可忽略不計，因此認(rèn)為噴氣后形成的氣液兩相流速度與未通氣時水的速度基本一致，即

又因空氣的密度遠(yuǎn)小于水的密度，在計算時，可將氣水兩相流的密度近似由液相密度及液相含氣率表示，即

因此公式（7）最終可簡化為

在船舶氣體減阻原理的理論計算過程中，常用的兩相流粘性系數(shù)計算方法有兩個，一個是由Sibree 提出的經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

式中μ 為動力粘度。

公式（11）是在截面含氣率為0.3-0.6 范圍時得出的，具有一定的局限性。

另一個是由Einstein 提出的經(jīng)驗(yàn)公式[5]：

該公式對大范圍的截面含氣率情況都是成立的，故在計算減阻率時應(yīng)用該經(jīng)驗(yàn)公式來計算氣液兩相流的黏度。

將公式（12）帶入到公式（10）中可得

從公式（13）中可以看出，減阻效果主要由截面含氣率和噴氣前后流體的湍流變化程度決定，而湍流的變化程度與氣泡的分布及含氣率有關(guān)，通常對渦粘性系數(shù)取某個合適的值來進(jìn)行修正，即

公式（14）中，αlim為氣泡極限含氣率，通常取0.8，故最終可得到減阻率的計算公式為：

3 氣泡減阻應(yīng)用可行性

3.1 船舶氣體減阻優(yōu)勢分析

當(dāng)航行阻力大大降低時，相同的功率下，船舶會具有更高的航速，這大大地提升了能源的利用效率。國際海事組織提出了船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）來評估船舶的節(jié)能減排效果，中國船級社也頒布了《船舶空氣潤滑減阻系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》，用于計算安裝有氣體減阻系統(tǒng)的船舶的能效設(shè)計指數(shù)的計算。船舶氣體減阻的節(jié)能關(guān)系為[6]：

式中：f 為摩擦產(chǎn)生的阻力；Aa為空氣覆蓋面積；Aw為總濕表面積；%DR為被空氣覆蓋的船體上的摩擦減阻百分比；Pc為運(yùn)行空氣供給設(shè)備所需的功率；ηp為螺旋槳的工作效率；PD為克服船舶總阻力所需的功率；ηe為空氣供給設(shè)備的工作效率[6]。

綜上可知，船舶氣體減阻技術(shù)是十分有效且可行的，從理論上來說，船舶氣體減阻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)85%左右的減阻效果[7]，實(shí)際的船舶氣體減阻率約為4.8%-28%，可有效節(jié)省3.1%-16%的功率。從減少碳排放的角度分析，船舶氣體減阻技術(shù)預(yù)計每年可節(jié)省930 萬噸~4800 萬噸燃油，相應(yīng)的每年可減少0.3-1.5 億噸的二氧化碳排放量[8]。

3.2 氣泡主要產(chǎn)生方法

3.2.1 電解產(chǎn)生氣泡

早在1973 年，便有蘇聯(lián)的科學(xué)家[9]將水下回轉(zhuǎn)體模型纏繞銅導(dǎo)線后完全浸沒在水中，通過電解水產(chǎn)生氫氣泡的方法將船舶周圍變成氣液兩相流，如圖2 所示。但此方法需要將銅線及其所纏繞的船體浸沒在水中，需要大量的銅線，運(yùn)營成本過高，違背了船舶減阻節(jié)能環(huán)保的初衷，因此該方法往往應(yīng)用于科研領(lǐng)域，在實(shí)際的船舶中應(yīng)用很少。

圖2 電解產(chǎn)生氣泡原理圖[10]

3.2.2 孔板噴氣法

日本學(xué)者[11]通過在船體模型底部設(shè)置用于產(chǎn)生氣泡的多孔孔板來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該方法可有效降低航行時的摩擦阻力，該方法的基本原理為從氣孔中向外噴出空氣或者船舶航行產(chǎn)生的廢氣，在船底的水中形成大量的小氣泡，從而使航行的船舶周圍流體變?yōu)闅庖簝上嗔?，以達(dá)到減阻效果。該方法簡單易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用比較廣泛，具有良好的發(fā)展空間。

3.2.3 傾斜版法

傾斜版法的基本原理是通過將船翼設(shè)置一定的傾斜角度，當(dāng)水流過船翼時，空氣和水的兩相界面會產(chǎn)生負(fù)壓，使得水面上的空氣會被吸入水中，形成氣水兩相流，船翼下游便會航行在氣液兩相流中，對于吃水較深的船舶，水流過船翼所形成的負(fù)壓不足以將水面上的空氣吸入水中，需要額外的設(shè)備參與。

4 提高減阻效果的關(guān)鍵因素

4.1 快艇氣體減阻特點(diǎn)

相較于大型船舶而言，快艇的船體更加細(xì)長，尺寸相對較小，運(yùn)動性能很強(qiáng)，操縱性能靈活，吃水較淺，浮力相對較小，船舶重量主要依靠航行時的動升力提供，在高速運(yùn)動過程中還會產(chǎn)生噴濺波?；诳焱У慕Y(jié)構(gòu)及航行特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，船舶氣體減阻技術(shù)應(yīng)用于快艇時，比大型船舶更具難度，主要原因包括：①船體窄，船底面積小，氣泡易從兩側(cè)擴(kuò)散；②航行速度快，氣泡快速向船尾處聚集；③船舶吃水較淺，水表面的波浪易加速氣泡擴(kuò)散。故船舶氣體減阻技術(shù)應(yīng)用于快艇的關(guān)鍵難點(diǎn)是氣泡覆蓋船底的時間較短，較難在船底形成穩(wěn)定的氣液兩相流，氣泡難以起到潤滑減阻的效果。

4.2 提高氣泡減阻效果主要措施

結(jié)合船舶氣體減阻優(yōu)勢、快艇自身特點(diǎn)以及上述分析所了解到的技術(shù)難點(diǎn)，提高快艇氣體減阻效果主要從以下幾個方面突破：

①選擇合理的氣泡產(chǎn)生方式。快艇吃水較淺，故很難選擇需要將電極覆蓋在水中的電解法，但若選擇傾斜板法，吃水淺的特點(diǎn)便可視為其優(yōu)勢，合理的船翼設(shè)計便可以充分利用水面上的空氣在快艇周圍形成氣液兩相流。而氣孔噴氣法具有很好的普適性，因此，多數(shù)的快艇會同時采用噴氣法和傾斜板法。

②改善船底噴氣方案來提高氣體減阻效率。根據(jù)不同快艇的船底結(jié)構(gòu)，在船首和船尾多個位置設(shè)置噴氣孔板，多個孔板協(xié)同工作可改善氣泡擴(kuò)散所導(dǎo)致的快艇后半段氣體減阻效果不佳的缺點(diǎn)，不同孔板所在位置和不同位置孔板上的氣孔尺寸、氣孔形狀、氣孔數(shù)量、氣孔位置分布以及氣孔的噴氣流量對快艇的氣體減阻效果都有著明顯的影響。

③改變船底結(jié)構(gòu)來增加氣泡覆蓋船底的面積和時間。在保留快艇原有性能不變的前提下，通過改變噴氣孔下游的船體線型，使氣泡盡可能多地保留在快艇底部，目前應(yīng)用比較廣泛的改進(jìn)方法是在船底設(shè)置氣槽，合適形狀及尺寸的氣槽，可在快艇底部形成穩(wěn)定的氣層，大大提高了船舶氣體減阻效果。

5 總結(jié)與展望

船舶氣體減阻技術(shù)在快艇上還未得到廣泛應(yīng)用，實(shí)船應(yīng)用相對較少，相關(guān)技術(shù)還處于探索階段，本文結(jié)合船舶氣體減阻原理、可行性以及快艇的特殊性，對氣體減阻技術(shù)在快艇上的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，可總結(jié)如下：

①船舶氣體減阻技術(shù)是利用空氣和水的密度差，在船體表面和水之間注入氣體，形成氣水兩相流，使船舶航行時的阻力減少，很多學(xué)者通過理論研究、數(shù)值模擬及實(shí)船試驗(yàn)證實(shí)了該技術(shù)可以大大減少船舶航行時的阻力，從而提高船舶效率。

②氣體減阻技術(shù)可以起到良好的節(jié)能減排效果，目前將氣體減阻技術(shù)應(yīng)用在船舶上的手段較多，常見的有電解法、孔板噴氣法及傾斜版法，無論是從學(xué)術(shù)研究方面、工程技術(shù)方面還是從時代發(fā)展需求方面，船舶氣體減阻技術(shù)都具有優(yōu)越的可行性。

③相較于大型船舶，快艇具有船身細(xì)長且吃水較淺等特點(diǎn)，基于快艇特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，氣體減阻技術(shù)應(yīng)用在快艇上的技術(shù)難點(diǎn)是氣泡覆蓋船體面積和時間不足，可主要從選擇合適的氣泡產(chǎn)生方式、改善船底噴氣方案及改良船底結(jié)構(gòu)等三個方面提升快艇氣體減阻效果。