高速艇氣膜減阻設計研究

孫鵬　趙藤

摘要：船舶節能以及提速一直是國內外造船業關注的重點，而船舶減阻無疑是船舶提速和船舶節能的主要途徑之一，經我們研究討論，認為氣膜減阻技術具有很高的研究價值和可行性，因此成為了我們努力研究的方向。在此次船模設計中，我們在高速艇的船體相應位置嵌裝導流槽，并在機艙內加裝空氣壓縮泵，連接氣管，氣體從氣管上的微小氣孔逸出附著在船體表面形成微氣泡膜。通過船模試驗，我們證明了氣膜減阻可以很好的提高高速艇的航速，從而達到節能減排的目地。

關鍵詞：氣膜；摩擦阻力；船模試驗；節能減排

1.研制背景及意義

隨著科技與經濟的不斷發展及世界能源危機的不斷凸顯，各行各業都在尋求可持續發展方案，船舶行業也不例外。一直以來，國與國之間的貿易往來主要通過船舶運營，雖然提高了各國的對外貿易額，但是船舶能源消耗也在加大，因此在船舶業如何做到低碳成為了一個重要的議題，許多國家正在努力地探求經濟的船舶節能方式。

我國學者在這一技術上進行過很多研究。例如武漢理工大學張大有在1996年的由中國造船工程學會、中國航海學會和中國工程院機械與運載工程學部聯合召開的“高速水運發展戰略研討會”上介紹了關于“高速船模噴氣船底”的研究，并于1997年發表文章“關于‘氣泡船模的研究及關鍵技術的分析”，系統的介紹了關于“氣泡”船模的研究，認為這是一種亟待開發的高性能船型。我軍海軍工程工程大學董文才教授在國內首次完成了氣層作用下的高速艇模型和實艇阻力的計算方法等，成功的掌握了實艇阻力減少25%的工程實現方法，為我國制造節能高效高速實體氣泡船奠定了堅實基礎。

國際造船業已經開始進行微氣泡減阻技術的實船應用研究。據克雷洛夫研究院[5]的研究成果報道：他們已經開發成功的產品有兩個型號，一是內河氣泡艇“琳達”號；另一個是沿海用氣泡登陸艇“巖羚”號。他們的經濟性指標已優于常規水翼船和側壁式氣墊船。

而我們研究的微氣泡減阻技術簡單的說就是把空氣引入船體表面，在船底表面形成氣水混合的兩相流，從降低液體粘性系數的角度來減小艇體的摩擦阻力，達到高速航運的目的。船舶微氣泡減阻技術可以顯著降低船舶燃料消耗，降低船舶氣體的排放量，提高船舶航速及續航力，因而具有重要的經濟和軍事價值，這也是船舶減阻具有的重要意義。

2.設計原理及理論基礎

在船舶航行阻力中，由于流體介質的粘性所引起的粘性阻力，按產生原因不同可分為摩擦阻力和形狀阻力。在低速時占總阻力的80%-90%，而在高速時，則接近60%，因此減小粘性阻力一直是船舶減阻的重點。在形狀阻力方面，主要通過優化船型來實現，在這里不做主要闡述。而我們研究的氣膜減阻法則是從減少摩擦阻力的方面來實現船舶減阻，從而提高船舶的航行速度并實現節能減排。

表面摩擦阻力的減小就意味著降低能量消耗和節省燃料，或在可能提供的動力條件下提高船體的航行速度。據克雷洛夫研究院研究成果報導：高速滑行艇在功率相同的情況下，采用氣層減阻可以提高航速10%-30%，在同樣速度下，可以降低主機消耗功率的20%-40%，而低速貨船，在同樣航速下，使用氣層減阻的船可以節省主機功率10%-30%。所需專業的壓縮機的功率不到主機功率的3%，且所需的空氣量不大。這充分說明了氣膜減阻技術有很強的可行性。

國內外對于氣膜減阻問題進行了大量的實驗，有研究人員以二維平板為研究對象，設置主流速度為3m/s、噴入速度為0.9m/s、氣泡直徑為100為基準，利用數值模型來具體分析各項因素是如何影響空隙率分布，進而影響減阻率的。得出如下結論：噴入微氣泡能夠使得平板摩擦阻力的減阻率大幅減小，最大減幅預計可達85%；同一來流速度下，隨著噴氣流量的增大，減阻率增大，當噴氣量達到一定程度后，此后增大噴氣量，減阻率變化不大；同一噴氣量下，隨著來流速度的增大，減阻率減少；在10-100范圍內，雖氣泡直徑對空隙率和減阻率的影響不大，但還是直徑稍微大一些對減阻有利；不同噴氣角度下，直噴情況下減阻效果好。

3.設計方案

本設計的初步減阻方案是在船底導流槽、船首及船側強構件的位置加裝排氣管，在機艙內加裝空氣壓縮泵，連接排氣管，并在氣管以及船體外殼相應的位置上開出均勻小孔，使產生的氣體從船體上微小氣孔排出并附著在船體表面形成微氣泡膜。通過相應的調壓閥來保證氣泡的大小和逸出速度，使其達到理想的減阻效果。

1）在船底導流槽內龍骨兩側對稱嵌裝兩根排氣管，排氣管上要開出均勻的小孔，并且加裝空氣氣泵來增大氣壓，并且船底兩側的導流槽也可起到縱向防逸的作用，來控制氣泡沿船體橫向的逸出，增大艇底氣泡的體積濃度，提高氣膜船的減阻效果。

2）在船深方向也加裝排氣管，為保證船體的結構強度，選擇在在船艏柱部分和船側的肋骨等強構件位置加裝的排氣管，排出的氣泡借助浮力和水流的作用，可以緊貼船體部分表面，從而進一步增大船體的氣體覆蓋表面，起到更好的減阻效果。

3）考慮到氣泡逸出至螺旋槳周圍可能影響螺旋槳的推動作用，所以我們在船尾部分將不嵌裝氣管。由于氣泡運動軌跡線與軸線的夾角應大于開爾文角（19°28?），根據圖示可計算導流槽尾部的極限位置。

4.結論與展望

1、高速艇應用氣膜減阻機理能夠減小阻力，提高航速。

2、針對高速艇，空心導流槽布置在船底中部，能有效增大氣膜的附著面積，提高減阻效果。

3、氣膜減阻效果受航速影響，相比于中高速時，低速時的速度增幅更為明顯。

4、受尺度效應的影響，設計船模減阻效果較理論值偏低，主要是由于水粘性的作用，微氣泡直徑較大，無法達到預期效果所致。

5、該設計方案主要以高速艇為參考，其減阻機理可拓展到其它船型，尤其是大型遠洋船舶。

6、可把此設計方案優化升級為空心導流槽氣膜減阻技術，將其作為一種獨立設備，使其更易安裝于現行船舶。

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