人工氣泡船水動力性能試驗研究

程紅霞，倪其軍，邢圣德，何術龍

（中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

1 引 言

高速氣泡船是一種發展中的新穎高效高性能船型。它與水翼艇、側壁式氣墊船等其它高性能船相比較，不僅經濟性指標優良，且由于結構相對簡單的優勢，具有日常維護保養簡單、靠離碼頭方便、吃水較淺、保障要求及造價均較低等顯著特點，因而該船型適用范圍廣，具有廣闊的軍用和民用市場前景，其潛在的社會效益及經濟效益十分顯著，已成為當前國際造船界的研究開發熱點。俄羅斯是目前世界上開發高速氣泡船最成功的國家，已建有實船70多艘，國內目前還處在理論和試驗研究階段，且應用的多為微氣泡,采用的噴氣方式為孔噴或縫噴，氣泡直徑為10-5～10-4m量級[1-7]。

中國船舶科學研究中心一直高度關注高速氣泡船國內外的發展動向，開展了大量研究及論證工作，現階段正在前期理論研究的基礎上，把已批量生產的某深V形滑行艇船型改造成氣泡船，在相同主尺度和相同排水量情況下進行了模型試驗，既達到了探索氣泡船自身的特性的目的，又獲取了氣泡船與常規船性能的直接對比結果，佐證了氣泡船的綜合航行性能優于常規的深V型滑行艇。該型氣泡船采用人工大氣泡，通過一定壓力和流量的氣體在船底某一低壓區引入，并在預期的區域內構筑氣泡腔圍壁，達到一個穩定的氣泡腔。這與微氣泡降阻過程中的微氣泡發生器和微氣泡穩定性是兩個完全不同的概念。國內針對這種人工大氣泡船的研究開展較少，以下是對這種船型的部分水動力性能進行初步探索。

2 模型試驗

2.1 模型情況

本次試驗對象為一人工氣泡船和一常規折角船，模型縮尺比為λ=5，兩船模型橫剖圖見圖1和圖2，主尺度列于表1中。兩船模型照片見圖3及圖4。根據對俄合作調研結果與文獻資料[8-9]，俄對氣泡船的試驗研究方法與其原型艇相同?？紤]到本次對比試驗氣泡船與其原型常規折角船具有基本相同的線形，故本次試驗采用適用常規滑行艇的拖曳試驗方法；針對氣泡船的特殊性，另配有一套特制的氣泡發生裝置，兩船模型和實船滿足幾何相似和傅如德數相似。

圖1 人工氣泡船線型圖Fig.1 Body lines of the bubble ship

圖2 折角船線形圖Fig.2 Body lines of the planing ship

表1 人工氣泡船與折角船模型主尺度Tab.1 Main parameters of the bubble ship model and planing ship model

圖3 人工氣泡船試驗模型Fig.3 Test model of the bubble ship

圖4 折角船試驗模型Fig.4 Test model of the planing ship

2.2 試驗內容

（1）人工氣泡船流量調試試驗：在氣泡船水平吃水狀態下，不斷改變通氣的流量，對比試驗所得的阻力值，以選取后續試驗所需的合理流量值。

（2）人工氣泡船充氣前后對比試驗：在水平吃水狀態下，在某一船速，進行人工氣泡船充氣前后的阻力對比試驗。

（3）人工氣泡船與折角船靜水阻力對比試驗：在同一靜浮尾傾下，人工氣泡船和折角船以相同船速在靜水中前進時，兩者性能對比試驗。

（4）人工氣泡船與折角船波浪中性能對比試驗：在同一靜浮尾傾下，人工氣泡船和折角船以相同船速在相同海況中前進時，兩者性能對比試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 人工氣泡船流量調試試驗

人工氣泡船流量調試試驗結果見圖5，試驗選取一典型速度Vm=5.0 m/s，從圖中可以看出：不通氣時，氣泡船總阻力較大，通氣后，總阻力下降較快，但在某一流量臨界值Qm0=2.5l/s之后，總阻力幾乎沒什么變化。因為氣流量達到該值之后，氣泡在氣腔內趨于穩定，試驗過程中也觀察到氣泡在該流量之后，氣泡的長度基本不變。因此，后續試驗中，氣泡船的通氣流量均采取該臨界值，以節省風機功率。對應于實船所需氣流量有Qs=Qm×λ2.5，由此根據試驗結果Qm0也可確定實船所需的一個經濟流量Qs0。

3.2 人工氣泡船充氣對比試驗

表2為人工氣泡船自身通氣前后的靜水試驗結果對比，模型速度Vm=5.0m/s，通氣流量就選取由流量測試試驗所得的臨界值，從表中可以看出，氣泡船在通氣后阻力下降較大，降幅近達一半，這是由于不通氣時，氣泡船底部的氣腔不僅增加了摩擦阻力，更多的是增加了氣腔斷階后旋渦阻力。通氣后氣腔內形成了一個穩定的氣泡，使船底線型又變成一個光順的曲面，減小了阻力。

3.3 模型阻力試驗

在確定人工氣泡船通氣后氣泡能穩定生成的前提下，我們進行了人工氣泡船在靜水及波浪中的性能試驗。并與折角船進行了對比。

兩船在相同尾傾狀態下進行了靜水中拖曳試驗。氣泡船的充氣流量選取2.5l/s。模型阻力試驗結果無量綱化后見圖6。

由圖6可見，低速時折角船阻力較小，因為低速時氣泡生成長度較小，空氣在船底形成的小拱形區還不及常規船型所構成的光滑船底，導致了阻力增加。中高速時氣泡船阻力較小，特別是高速時氣泡船阻力下降較多，Fn▽為2.95時，氣泡船阻力下降就達27%。分析其阻力下降的原因有：

（1）從理論研究的結果[10]及試驗現象來看，人工氣泡船在斷階后可形成一個穩定的，具有一定壓力值的氣泡腔，這是人工氣泡船之所以能降阻的最重要的、最本質的基礎條件。

圖5 阻力隨流量變化曲線圖（Vm=5.0 m/s）Fig.5 The effect of flux to resistance of the bubble ship(Vm=5.0 m/s)

表2 人工氣泡船充氣前后試驗結果對比Tab.2 Comparison of the resistance of the bubble ship model with and without air

（2）從減小船底浸濕面積上看，當Fn▽=2.95時，模型濕面積從 0.682 m2減少到0.478 m2，減少29.9%，則相應摩擦阻力可減少29.9%,經計算為0.87 kg，總阻力相應減少16.0%。

（3） 從試驗結果分析，當 Fn▽=2.95時，經過計算水動升力、氣墊升力、靜水浮力分別為 14.47 kg、8.63 kg 和 8.89 kg，分別占總排水量的45.2%、27.0%和27.8%。由此可見，該氣泡船在高速時艇體抬升是氣墊和滑行共同作用的結果。可見該氣泡船是氣墊與滑行艇復合的新船型，對于該船型，滑行水動升力仍支撐了大部分的艇重，起主要作用。

（4）氣腔墊升的艇重為8.63 kg，相當于艇的排水量減少8.63 kg，參考62系列試驗資料[11]，可知當艇的排水量下降8.63 kg時，阻力可下降百分比約為10.8%。也因此氣泡船相對其原型折角船阻力高速時下降的原因有兩點：一是氣泡的存在使得摩擦阻力減少，另一方面是氣泡也墊升了艇體，起到卸載作用，使得氣泡船相當于一輕載的滑行艇，減小了濕面積，也使得總阻力下降。

3.4 模型在規則波下試驗

波浪中試驗也是在相同尾傾的初始狀態下，船模以4 m/s的速度在二級浪（H1/3=0.25 m，T0=3.0 s）中頂浪航行，進行了規則波試驗，規則波試驗結果無量綱化后見圖7。

圖6 兩船靜水中阻力比較曲線Fig.6 Comparison of the resistance of the two ship models in calm water

圖7 兩船波浪中性能比較Fig.7 Performance comparison of the two ship model in waves

由圖7可見，規則波中人工氣泡船的波浪增阻響應幅值最大值、縱搖響應幅值最大值、尾部加速度響應幅值最大值均明顯小于常規折角船；規則波中人工氣泡船的升沉響應幅值最大值、首部加速度響應和重心處加速度響應的幅值最大值稍大于常規折角船[12]。

4 實船換算

4.1 實船靜水有效功率換算

由于氣泡船的原型船是滑行艇，且氣泡船主要仍是水動升力支撐大部分艇重，故氣泡船和折角船均采用滑行艇的換算方法進行換算。

采用二因次Froude法將模型試驗結果換算到實船上，船的總阻力分成摩擦阻力和剩余阻力[13]，用下式來計算總阻力系數：

式中：RTm為模型總阻力，Sm為模型濕面積，Vm為模型速度。

需要特別注意的是人工氣泡船的濕面積與折角船不同，不僅與吃水有關，還與氣泡的生成長度有關，要扣除掉氣泡覆蓋的氣層面積。

實船的剩余阻力系數與模型的相等，有

實船總阻力系數有模型-實船相關補貼系數ΔCF取0.000 4，有了總阻力系數，按下式計算實船總阻力RTS和有效功率PE：

對于氣泡船，風機是生成氣層的動力源，風機所耗功率約為船總功率的2%～3%，考慮到這個因素，故換算時氣泡船實船有效功率在（5）式基礎上乘以1.03。

4.2 實船耐波性運動預報

實船在長峰波中的運動能譜是用線性疊加的方法（假設船舶對于許多簡諧波響應的和等于這些簡諧波和的響應），根據下式求得[14]

其中：Sx（ωe）為船舶搖蕩運動能譜；Wx（iωe）為船舶某種運動對規則波的頻率響應函數，取自船模試驗；Sζ（ωe）為遭遇頻率的波能譜。

試驗波浪譜我們選用ITTC雙參數譜進行模擬，其波浪譜密度函數定義為：

其中：H1/3為三分之一有義波高（m），T1為特征周期（s），ω為波浪圓頻率。

船舶航行時遭遇頻率的波能譜為

其中ψ為船的航向與波浪傳播方向之間的夾角。

由（6）、（7）式及（8）式即可確定實船在不規則海浪下的運動響應譜密度曲線。

短期海況視作均值為零的平穩正態隨機過程，其幅值服從雷利分布，因此實船的運動響應譜幅值也服從雷利分布，則有以下一些統計特性：

0階譜矩m0：

其中：σx為船舶運動響應（或運動速度、加速度）的方差[15]。

有了這個運動方差，就可以計算任一保證率的運動幅值。

運動的最大幅值：運動的有義幅值：

5 實船結果

運動的平均幅值：

根據靜水試驗結果，換算到實船，比較兩船所需的有效功率，見圖8。

圖8 實船所需有效功率對比曲線Fig.8 Comparison of effective power between the two real ships

表3 實船不規則波結果Tab.3 Performance of the two real ships in irregular waves

由實船換算結果可以看出，在同一初始尾傾狀態，人工氣泡船與常規船進行比較有：

（1）當VS=22.6 kns（Fn▽=2.95）時，氣泡船所需有效功率可減少24.8%，當實船有效功率同為50 kW時，航速能提高4.28kns，增幅達27.7%。

（2）氣泡船在二級海浪中以17kns航速航行時阻力增加平均值明顯小于常規折角船，氣泡船波浪中總阻力比常規折角船的波浪中總阻力小25.4%；

（3）氣泡船在波浪中縱搖角小于常規船；

（4）在二級波浪中升沉值氣泡船大于常規船；

（5）在二級波浪中首部加速度和中部加速度氣泡船與折角船相當，尾部加速度氣泡船有明顯優勢，有義值降幅達39.1%。

6 結 論

通過這次較系統的模型試驗，我們得到了以下結論：

（1）歷來國內外文獻中[7、16-21]普遍引用的關于氣泡船的降阻原理為：在船底表面形成氣泡腔，將船底與水隔離，減小摩擦阻力，從而船舶總阻力減少。從本文試驗結果分析可見因摩擦阻力減小而引起的阻力減小量僅為16.0%，顯然小于氣泡船的減阻總效果。本文明確地指出了氣腔內壓力抬升了部分艇體，相當于減輕了船的重量，負荷系數的下降必然導致阻力減小。綜合上述兩個因素才是人工氣泡船降阻的原因。

（2）氣泡船在波浪中航行時，只要船底氣泡腔不被破壞，則船底的氣泡腔還相當于緩沖氣墊，可減緩船舶在風浪中的運動，提高氣泡船的適航性。

（3）從氣泡船氣流量與總阻力的關系可以找到一個氣泡船的最小流量，即最經濟的氣流量。

（4）靜水中氣泡船與相同尺度、相同排水量的折角線船型相比較，總阻力可下降27%。

（5）波浪中氣泡船與相同尺度、相同排水量的折角線船型相比較，總阻力也可下降25.4%。尾部加速度可下降39.1%，其他運動總體相當。

綜合來看，人工氣泡船在靜水和波浪中的綜合水動力性能均優于常規折角船。將氣泡降阻技術運用到滑行艇上，可大大提高其運輸經濟性，人工大氣泡降阻具有極大的推廣意義。由于時間限制以上只是對一型人工大氣泡船的部分性能進行了初探，為了深入研究人工大氣泡船的綜合性能，還有待后續開展更充分的試驗研究和理論研究。

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