黃瑩HUANG Ying；畢堅(jiān)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(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外對(duì)各行各業(yè)的能耗及污染問(wèn)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(guó)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(hào)，是世界上第一艘氣泡減阻船[1]。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第702 研究所自主設(shè)計(jì)研制了百噸級(jí)氣膜減阻原理樣船，該設(shè)計(jì)已成功地在中國(guó)長(zhǎng)航集團(tuán)的長(zhǎng)航洋山2 號(hào)400TEU敞口集裝箱船上進(jìn)行了實(shí)船測(cè)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(lái)越多的人通過(guò)高端體育娛樂(lè)來(lái)提升自己的生活品質(zhì)，快艇現(xiàn)在已成為運(yùn)動(dòng)、娛樂(lè)、休閑的大眾消費(fèi)品，關(guān)于船舶氣體減阻技術(shù)對(duì)快艇應(yīng)用價(jià)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(shí)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(guò)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(huì)降低船舶航行時(shí)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(duì)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：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)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(lái)流速度三個(gè)參數(shù)的無(wú)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(jì)算方法

HARTMUT 等[3]利用剪切應(yīng)力來(lái)估算船舶氣體減阻效果，并提出了氣泡減阻的簡(jiǎn)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(shí)的τl的比值為

艇在航行時(shí)速度遠(yuǎn)大于氣泡運(yùn)動(dòng)速度，氣泡對(duì)水速的影響可忽略不計(jì)，因此認(rèn)為噴氣后形成的氣液兩相流速度與未通氣時(shí)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(jì)算時(shí)，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(jiǎn)化為

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

式中μ 為動(dòng)力粘度。

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

另一個(gè)是由Einstein 提出的經(jīng)驗(yàn)公式[5]：

該公式對(duì)大范圍的截面含氣率情況都是成立的，故在計(jì)算減阻率時(shí)應(yīng)用該經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)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(duì)渦粘性系數(shù)取某個(gè)合適的值來(lái)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(jì)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(shì)分析

當(dāng)航行阻力大大降低時(shí)，相同的功率下，船舶會(huì)具有更高的航速，這大大地提升了能源的利用效率。國(guó)際海事組織提出了船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）來(lái)評(píng)估船舶的節(jié)能減排效果，中國(guó)船級(jí)社也頒布了《船舶空氣潤(rùn)滑減阻系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》，用于計(jì)算安裝有氣體減阻系統(tǒng)的船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù)的計(jì)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(lái)說(shuō)，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(jì)每年可節(jié)省930 萬(wàn)噸~4800 萬(wàn)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(méi)在水中，通過(guò)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(méi)在水中，需要大量的銅線，運(yùn)營(yíng)成本過(guò)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(guò)在船體模型底部設(shè)置用于產(chǎn)生氣泡的多孔孔板來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該方法可有效降低航行時(shí)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(jiǎn)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(guò)將船翼設(shè)置一定的傾斜角度，當(dāng)水流過(guò)船翼時(shí)，空氣和水的兩相界面會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，使得水面上的空氣會(huì)被吸入水中，形成氣水兩相流，船翼下游便會(huì)航行在氣液兩相流中，對(duì)于吃水較深的船舶，水流過(guò)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(zhǎng)，尺寸相對(duì)較小，運(yùn)動(dòng)性能很強(qiáng)，操縱性能靈活，吃水較淺，浮力相對(duì)較小，船舶重量主要依靠航行時(shí)的動(dòng)升力提供，在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還會(huì)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(shí)，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(shí)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(rùn)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(shì)、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(gè)方面突破：

①選擇合理的氣泡產(chǎn)生方式?？焱С运^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(shì)，合理的船翼設(shè)計(jì)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(huì)同時(shí)采用噴氣法和傾斜板法。

②改善船底噴氣方案來(lái)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(gè)位置設(shè)置噴氣孔板，多個(gè)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(duì)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(lái)增加氣泡覆蓋船底的面積和時(shí)間。在保留快艇原有性能不變的前提下，通過(guò)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(duì)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(duì)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(shí)的阻力減少，很多學(xué)者通過(guò)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(shí)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(wú)論是從學(xué)術(shù)研究方面、工程技術(shù)方面還是從時(shí)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(zhǎng)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(shí)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(gè)方面提升快艇氣體減阻效果。