現(xiàn)代船舶減阻方法探討

胡 東

(貴港船舶檢驗局，廣西 貴港 537100)

0 引言

影響船舶阻力的主要是流體介質(zhì)，是流體力學(xué)的研究范疇。在水和空氣等流體的影響下對船舶航行具有阻礙作用的力叫做船舶阻力。船體阻力的主要部分是主船體所受阻力；船體接觸水面的阻力為流水阻力；未接觸到水面的船體阻力為空氣阻力。航行過程中由于船型、流速等原因船體所受阻力也有所差異，因此減少船舶阻力的方法要根據(jù)船體實際情況來確定。

1 影響船舶阻力的因素

船舶在航行過程中影響其動能的主要因素是船舶阻力，影響船舶阻力的因素主要有船型、船速、流體介質(zhì)以及航行狀態(tài)。因此，不同的船舶在航行過程中所產(chǎn)生的阻力是不同的，相同時速與船型在不同介質(zhì)和水面航行所受阻力亦不相同，在研究船舶阻力時要綜合船型和流體介質(zhì)進(jìn)行分析。

1.1 船型對航行阻力的影響

根據(jù)力學(xué)研究表明，不同的船體在航行過程中所受流體阻力是有差異的，船舶由于用途不同在設(shè)計上所考慮的因素各有差異。因此，在研究上只取用船型參數(shù)來表示其具體特征，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)上就是排水量長度系數(shù)、方形系數(shù)、棱形系數(shù)以及船舯橫剖面面積。

(1)船體的細(xì)長程度體現(xiàn)在排水量長度系數(shù)上，船體長度與排水量的關(guān)系比直接影響船舶航行的阻力。通過排水量的大小可以判斷船只的長度，而船舶在設(shè)計過程中為減少阻力也將長度與寬度考慮在內(nèi)，越長的船只的跨度就越窄，阻力也就越小，這也是為什么目前梭型船在航運(yùn)中最常見的原因。當(dāng)船只排水量增大時，就必須拓寬船只跨度，船型跨度變大后阻力隨之增大，摩擦力與剩余阻力構(gòu)成船舶阻力。

(2)船舶的寬度比也就是方形系數(shù)，方形系數(shù)對于船舶阻力的影響可以說是產(chǎn)生船舶阻力的最小因素。從局部看，對于追求速度的軍用船舶等影響較大，其摩擦力影響因素所占比例較小但對剩余阻力來講就比重較大，其產(chǎn)生的剩余阻力是細(xì)長船型產(chǎn)生的1.5倍左右。從整體分析，船體扁平程度吃水總阻力影響不大，可以忽略不計。

(3)棱形系數(shù)同方形系數(shù)一樣只考慮其剩余阻力對于船舶阻力的影響，當(dāng)剩余阻力過大時就說明棱形系數(shù)較高。

根據(jù)以上分析表明，船型對于船舶阻力的影響主要取決于船舶系數(shù)的變化，為減少船舶阻力選取船型時必須分析這三個系數(shù)，只有當(dāng)三個系數(shù)指標(biāo)都減小時，船舶的阻力才會減少。

1.2 船舶航速對阻力的影響

船舶航行時速度的提升與阻力的變化有直接關(guān)系，當(dāng)船舶速度不斷提升，船體底部與水面接觸面積將逐漸變小，速度最快、阻力最小時基本與水面接觸面積僅有停靠或慢速前進(jìn)時的1/3。船體在快速行進(jìn)中會主動抬升，抬升度越大與水面接觸面積越小，抬升過程就是由水阻力向空氣阻力變化和船舶阻力減小的階段。船體抬升的原理就是力學(xué)中常見的兩個原理。同等條件下水阻力大于空氣阻力，而這種阻力差會形成一個壓力差，此時產(chǎn)生的壓力差是由于空氣阻力與水面阻力上大下小形成的流速壓力差，這就是造成船舶主動抬升的原理之一。

2 船舶減阻方法分析

2.1 肋條減阻法

20世紀(jì)70年代科學(xué)家在進(jìn)行海豚的游動研究時發(fā)現(xiàn)，海豚身上的肋條有助于其游動的阻力減小，由此仿生學(xué)家展開研究，首次在船舶航行中提出肋條減阻法。肋條溝槽表面降低水動力阻力的機(jī)理不僅打破傳統(tǒng)觀念，還為船舶減阻帶來新的研究方向，表面越光滑對水阻力越小的思維被徹底廢棄。

經(jīng)過技術(shù)發(fā)展與研究，運(yùn)用仿生學(xué)家在海洋生物身上得到的啟發(fā)，研究人員對各種溝槽形狀的減阻能力進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)具有最佳減阻特性的是三角形溝紋。與此同時，研究人員對溝槽面湍流減阻的原理進(jìn)行分析，認(rèn)為水面與船底相接觸的粘流底層厚度對船舶減阻有所影響，溝槽內(nèi)會產(chǎn)生二次旋渦，這是水流逆流進(jìn)溝槽內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生的動能交換，從而降低了總阻力。

2.2 船舶氣幕減阻法

目前，我國高校和科研工作者提出一種新型船舶減阻技術(shù)，就是將船體表面流體性質(zhì)改變，通過技術(shù)手段讓船體表面形成氣層，以便降低船舶航行的阻力。該技術(shù)原理主要是通過船身氣孔向船體表面以及船底水面注入空氣和船舶航行產(chǎn)生的廢氣，將船舶周圍的流體改變，形成新的流動循環(huán)體系，將船體表面與水面的粘流度分離，減少摩擦阻力對船舶的影響。

這種利用水面與空氣密度差的隔離式空氣膜將船體整個包裹形成“保護(hù)罩”，且有大量實驗數(shù)據(jù)表明，通過改變船體流體和密度并進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧髁克倏刂疲梢杂行У販p阻，還能減少能耗。因此，這項技術(shù)被大量運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，其減阻研究前景是目前為止船舶工程和流體力學(xué)的研究熱點，并逐漸形成一個新的學(xué)科體系。

2.3 氣泡減阻法

氣泡減阻法的應(yīng)用主要分為兩種情況：(1)微氣泡減阻，適用于對速度要求不高的船只使用；(2)大氣泡減阻，適用于小型高速船艇。兩者的共同點都是將氣體引入船底，在船底形成氣泡流，利用氣泡減小摩擦阻力降低流體粘流性，以此減少船舶航行的阻力。

微氣泡減阻是船舶運(yùn)輸過程中在船底和水面之間形成一層保護(hù)層，通過改變摩擦減少摩擦力來實現(xiàn)船舶減阻。但是由于氣層邊界內(nèi)層氣泡在船舶行駛中容易產(chǎn)生形變，因此必須將其產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力當(dāng)作流體能量進(jìn)行儲存。這樣既能達(dá)到減少能源消耗又能實現(xiàn)減少船舶阻力的預(yù)設(shè)，已經(jīng)是當(dāng)前船舶減阻設(shè)想實施過程最為成功的方法之一。

大氣泡的減阻原理則是利用船底底倉空間將空氣儲存在空腔中，形成一個大型密閉氣倉，達(dá)到減少摩擦成功減阻的目的。

但氣泡減阻的方式運(yùn)用于實踐還需要進(jìn)行大量實驗和科學(xué)探究，在現(xiàn)實運(yùn)用過程中雖然有所裨益，但是還是會帶來一些負(fù)面的影響。由于氣泡的制造和使用過程具有不可控性，無法準(zhǔn)確預(yù)測氣泡的形變和內(nèi)力結(jié)構(gòu)變化，因此將此設(shè)計思想在工程中具體實現(xiàn)還需要時間。

2.4 高分子聚合物添加劑減阻法

高分子聚合物添加劑減阻是目前運(yùn)用較廣泛的船舶減阻手段，其原理使用于多個領(lǐng)域，并且公認(rèn)效果良好。但是高分子聚合物添加劑成本較高，當(dāng)前科研人員雖然為降低成本進(jìn)行了大量研究和資金投入，卻效果甚微。這種技術(shù)運(yùn)用于船舶減阻主要是在影響船舶阻力的流體內(nèi)添加高分子聚合物，通過改變流體與船舶的摩擦力減低船舶表面的摩擦系數(shù)達(dá)到減小船舶阻力的目的。大量高分子聚合物添加劑的使用也會給江海環(huán)境造成影響，長期大量使用必定會帶來后患，對聚合物添加劑的使用標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行嚴(yán)格劃分和規(guī)劃。

3 結(jié)語

船舶減阻技術(shù)的應(yīng)用和研發(fā)對于未來航運(yùn)業(yè)的發(fā)展有至關(guān)重要的幫助，減少能源消耗是高耗能產(chǎn)業(yè)節(jié)源開流的最有效措施。面對航運(yùn)來講減小船舶阻力就是在有效地進(jìn)行能源節(jié)約。在未來的船舶阻力研究中必須從產(chǎn)生阻力的原因入手進(jìn)行研究，船舶減阻的概念源自于對自然生物的研究和自然現(xiàn)象的啟發(fā)，因此生物物理學(xué)、仿生學(xué)、新型材料學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代船舶發(fā)展的科技基礎(chǔ)。文章中所述船舶減阻方法已經(jīng)在船舶航行中有所運(yùn)用，但其具體效益還是需要在未來的船舶發(fā)展中不斷摸索，在為我國航運(yùn)研究創(chuàng)造價值的同時還有很多技術(shù)性難題亟待解決。