大型船舶在限制性航道航行時的航行阻力及減阻對策

朱廣春 艾萬政

【關鍵詞】 大型船舶;航道;船舶阻力;節能減排;減阻

0 引 言

船舶節能減排已成為世界航運界關注和研究的重要課題，其不僅與船舶營運經濟效益直接相關，也是保護海洋環境和防止環境污染的重要舉措，符合我國節約資源的基本國策。隨著IMO“2020限硫令”的實施，為滿足IMO要求，多數航運企業選擇了讓所屬船舶使用價格較高的低硫燃料油，增加了船舶營運成本。加之新冠疫情對全球經濟的沖擊，航運界越來越重視船舶節能減排技術。減小船舶航行阻力是最直接有效的節能減排措施。目前針對船舶在開闊水域航行的減阻技術的研究有：劉暢等[1]提出了球鼻艏線型優化的減阻方法;歐勇鵬等[2]提出了船舶氣層減阻方法;周朝英等[3]提出了球頭體逆向噴流減阻方法;朱鵬飛等[4]針對營運船舶提出了縱傾優化的減阻方法。針對船舶航行在開闊水域中的減阻技術研究較為豐富，對于船舶航行在限制性航道中的減阻方法卻鮮有研究。當船舶在限制性航道中航行時，由于受到淺水效應和岸壁效應的影響，其水動力性能會發生較大變化，從而消耗更多的燃料，尤其是本身就具有較大阻力的大型船舶，因此有必要對大型船舶在限制性航道航行時的阻力特性和減阻方法進行研究。

1 船舶航行阻力

1.1 阻力構成

當船舶航行時，由于船體同時運動于空氣與水兩種流體介質中，會同時受到兩種流體介質對其作用的阻力。為了便于研究，船舶阻力按流體介質種類分為空氣阻力和水阻力，兩者之和為總阻力。由于水阻力占船舶總阻力的絕大部分，因此研究多集中于水阻力。根據海況，水阻力分為船舶在靜水中航行時的靜水阻力和波浪中的阻力（亦稱洶濤阻力）增值。根據裸船體與軸支架、舵、舭龍骨等附體所受的水阻力研究方法的不同，將船舶阻力分為裸船體在靜水中的裸體阻力和其他部分組成的附加阻力。考慮到航行環境條件，船舶在深水航行時所受的阻力與在淺水域和狹水道等限制性水域中航行時所受的阻力又有不同。船舶在航行中的阻力見圖1。

船舶總阻力與種各阻力之間的關系見圖2。從弗勞德觀點分類看，船舶總阻力由摩擦阻力和剩余阻力組成;從力的分類看，船舶總阻力是由作用于船舶表面上水的切向力和法向力組成的，即摩擦阻力和壓阻力，水的切向力沿船體表面積分所得在運動方向上的分量為摩擦阻力，水的法向力沿船舶表面積分所得在運動方向上的分量為壓阻力;從能量耗散分類看，船舶總阻力由興波阻力和黏性阻力組成，這兩部分力導致尾流能量和波形能量的耗損。

雖然各阻力都是來自于流體的作用力，但其成因是不相同的。摩擦阻力是由于流體具有黏性而引起的，當船舶在水中航行時，由于水的黏性船舶周圍會形成“邊界層”，其表面受到水的切應力作用產生摩擦力，摩擦力在運動方向上的合力就是摩擦阻力。壓阻力是由于船舶在水中航行時表面的壓力分布發生變化導致的。壓力分布變化的原因主要有兩方面：（1）由于水具有黏性，其不僅會使運動中的船舶因艏部壓力增大、艉部壓力降低形成壓力差而產生阻力，還會使船舶曲度驟變，尤其是艉部會產生旋渦，旋渦處壓力降低，從而改變船舶表面的壓力分布。這種由于水的黏性導致船舶產生阻力的力稱為黏壓阻力。（2）由于船舶航行于空氣和水兩種介質中，會有自由表面的存在，船體在航行中會興起波浪，這種興波會導致船體表面壓力發生變化，即艏部壓力增大而艉部壓力降低，從而形成阻力。這種因興起波浪所產生的阻力稱為興波阻力。從能量的觀點看，這兩種阻力是由于產生旋渦和興波耗能所形成的阻力。黏壓阻力只有在有黏性的流體中才會產生，而興波阻力在理想流體中也會產生，因此通常會將因水的黏性而產生的黏壓阻力和摩擦阻力合并稱為黏性阻力，將除摩擦阻力外的其他阻力統稱為剩余阻力。

1.3 航道的影響

由于受到航道水深和航道寬度的限制，船舶在航道中航行時其水動力性能會發生很大的變化，船體所受的黏性阻力和興波阻力與在開闊水域航行時有很大不同。限制性航道一般水深較淺，船底與河底之間的流速會明顯增加，同時一部分水會被排向船體兩側，船側流速也會增加，從而使得黏性阻力增加（見圖3）。

2.1 降低船舶表面粗糙度

大型船舶因長時間在海洋中航行，其表面不僅會因腐蝕變得粗糙，也會因貝類、藤壺和藻類等生物附著船體而污底。船舶出現污底，表明船舶表面粗糙度增加，這會直接影響船舶的摩擦阻力，船舶粗糙度越高，船舶摩擦阻力越大。尤其是當船舶在限制性航道中航行時，受淺水效應的影響，船舶周圍流速增加，摩擦阻力會進一步增加。對船舶進行污底清理是降低船舶表面粗糙度的最簡單的方法。航運企業可以通過分析航行數據，定期對船舶進行污底清洗或修理，以防止因污底而增加船舶摩擦阻力。

2.2 采用合理航速

很多航運企業為減少船舶的能源消耗，會指導航行中的船舶采用經濟航速以減少航行中的阻力。由于水速度易于實時監測和控制，并且摩擦阻力和壓阻力都與速度的平方成正比，因此采用經濟航速這種減阻方式對于在航船舶非常易于實現，可以有效減少船舶阻力。當船舶在航道中航行時，受到水深的限制和淺水效應的影響，船速對船舶阻力的影響更為明顯，不僅會因船舶周圍速度的增加而使得摩擦阻力和黏壓阻力增加，也會因興波波形的改變，使得興波更為劇烈，興波阻力增加。在水深一定的情況下，水深弗勞德數隨船速的增加而增加，當水深傅汝德數增加至臨界區時，興波劇烈，興波阻力明顯增加，尤其是對于在航道中的大型船舶，其興波阻力占總阻力的80%以上。因此，為有效減小船舶在航道中的阻力，在保證船舶安全和高效航行的條件下，應選擇合適的船速航行，盡量避免其水深傅汝德數達到臨界區。

2.3 采用縱傾優化技術

縱傾優化是指船舶在不改變航速、載質量和船體結構的情況下，僅依靠調節船舶的縱傾達到減少阻力的目的。這種方法對于大型船舶效果尤為明顯。根據大量試驗結果和應用實踐，在每一航速下都會存在一個最佳縱傾值使船舶阻力最小。當船舶航行在航道中時，興波阻力占比較高，阻力值較大，通過調節船舶縱傾，可以改變船首和船尾的入水角度，改變興波參數，從而影響興波阻力。為避免因淺水效應產生的船舶下沉，在保證有足夠的富余水深的前提下，船舶在航道中航行時可以采用縱傾優化技術。

3 結 語

筆者探討了大型船舶在限制性航道中航行時的減阻問題，在分析船舶在限制性航道航行時的阻力成因和特性的基礎上，結合營運船舶易于實現的減阻技術，對大型船舶在限制性航道航行時如何減阻提出建議。

參考文獻：

[1] 劉暢，謝家榮，林慰. 基于CFD方法的球鼻艏減阻優化研究[J]. 廣東造船，2016（1）：37-39.

[2] 歐勇鵬，吳浩，董文才. 船舶氣層減阻節能技術應用研究進展[J]. 中國水運，2015（9）：28-30.

[3] 周超英，紀文英，張興偉等. 球頭體逆向噴流減阻的數值模擬研究[J]. 工程力學，2013（1）：441-447.

[4] 朱鵬飛，艾萬政，張亮. 船舶縱傾優化節能策略[J]. 水運管理，2019（3）：26-28.