船体流动减阻方法研究综述

张弛 刘林

摘 要：近年来，关于船体减阻的实验和研究比较多，取得了许多相关的资料和数据。在目前湍流理论有了相当的发展之后，我们对原理的研究有了一些进步。目前在减阻的方式上，人们已经发明了肋条减阻（沟槽法）、聚合物添加剂减阻法、柔顺壁减阻法、气泡减阻法、仿生减阻法、壁面振动减阻法、超疏水表面减阻法等。文中将就上述减阻方法的原理做一个简要的介绍。

关键词：流体；阻力；船体减阻

1 柔壁减阻法

上世纪60年代，科学家们发现“人造海豚皮”的减阻效果，柔壁减阻开始得到人们的重视。柔壁减阻法的一般做法是在固体壁面上覆盖上泡沫塑料，往固体内部水或油等液体后，在外面蒙一层不渗透或者半渗透性的薄膜，这样泡沫塑料就能产生一定弹性。柔顺壁的作用使粘性底层变厚，边界层上流速梯度减小，就此减小了边界面上剪力，同时也减小了因剪力做功而发散的能量，实现了减阻。

在雷诺数较大的环境下，粘性作用在边界层内。所以减阻的关键在于如何使边界层平顺流动减少损失。由于海豚皮肤有很好的弹性，可以随水流呈波浪状起伏，形成了柔顺壁。水流原本就是一种湍流运动，综合海豚表皮的扰流运动，很容易在表皮边界层内产生扰流，由此产生的紊流，增加了游动摩擦阻力。而当扰流发生在边界层内时，海豚的皮肤产生的波动，抵消了扰流并减少了晃动，延迟了边界层的转捩，以此保持边界层层流的流动。

当我们从边界层稳定性因素考虑时，可以更加深入的了解减阻的机理。影响层流运动稳定性的主要因素包括壁面粗糙度和来流紊流度。壁面的粗糙增加了对流动的扰动，合理的利用该扰动有很好的减阻效果。目前对柔顺壁减阻相对一致的观点是，壁面压力梯度缓解了压力释放，因此造成边界层层流向湍流转捩的后移。海豚表皮的“非光滑”柔顺壁可顺应水流而流动，减少湍流流动，延迟边界层转捩，增加边界层稳定性，因此能够高效降低其在水中的阻力。

2 沟槽减阻法

上世纪70年代，兰利研究中心发现，顺流向微小肋条的表面能有效降低壁面摩阻。该发现是对减小表面粗糙度来达到减阻目标手段的一个创新，它是通过改变边界层底层的流动结构从而达到减阻目的的。

为了最大限度地达成减阻目的，科学家对肋条形状进行了很多实验研究和设计优化。德国科学家对各种肋条表面，包括对三角形、半圆形、刃形以及三维肋条进行了研究。通过实验比对发现凹形具有尖峰的形状减阻效果最好。

这些年来，学界对肋条减阻机理的研究很多。大多数观点认为达成减阻的主要原因是粘性底层厚度增加。反向旋转的流向涡与肋条尖顶作用的二次涡的互相作用，二次涡减弱了与低速带条相关系的流向涡，并在肋条之间的沟槽内保持低速流体。顺流向的涡对与条纹尖端相互作用，产生第二涡群，降低了顺流向涡对强度，一直流向涡对展向集结能力，减小了低速带条的数目，控制了近壁面区动量交换。狭窄V形肋间沟槽的沟谷保持有低摩阻的低速安静流，从而降低了总阻力。

3 高聚合物添加剂减阻法

高聚合物添加剂减阻法是这几年减阻研究的一个重点，这种方法是通过在流体中溶入少量长链高分子聚合物来达成减阻目的的。该方法在液体内部边界创造条件以达到减阻，它们的共同的特点是分子量的量级都达到百万。聚合物添加剂由于可以影响流向涡的强度，增大低速带条间距，因此减小湍流的剪切力从而实现了减阻。

目前，尽管对这种方法已有了较深入的研究，但由于湍流问题的复杂性，聚合物在湍流中产生减阻的原因至今还未弄清楚。虽然科学家基于实验提出了一些假设和分析，但还没有出现一种理论能完美的解释该问题。但由于该方法比较容易实现并且效果很好，在很多领域得到了广泛应用。

4 气泡减阻法

气泡法是通过在物体表面上造成气泡，利用气泡的小摩阻性和易变形等特点来调节底层流动结构来达到减阻的目的。通过计算边界层中的微气泡对平板表面摩擦阻力的影响，得到减阻率在60%左右的结论。气泡法减阻一般分为大气泡减阻法和微气泡减阻法。

大气泡减阻是利用空化理论，在船底设计一个人造空腔，将气体通入空腔中，形成一个与水分离的大气泡，以达到减阻的目的。

微气泡减阻是在运动的船体表面和水之间注入气体，形成气液混合物薄层，改变边界层的内部结构，使摩擦阻力减小。由于位于边界层内的微气泡具有变形能，它把剪切力作用于流体的部分功转为变形能储存起来，从而减少能量损耗，实现了减阻目的。

但此方法最大的缺点就是气泡不稳定，一旦减阻气泡破裂将产生更大的阻力和噪声；而如果气泡太小又达不到减阻效果，因此要注意气泡的产生和消除。这也是气泡减阻法下一步研究的重点方向。

5 壁面振动减阻法

壁面振动减阻法的基本思想是壁面振动可以减小湍流表面摩擦力。靠近振动壁面处湍流边界层的平均速度将梯度减小，湍流强度依次减弱，因此验证了壁面振动能减小湍流边界层表面的摩擦阻力。

目前针对振动减阻法的研究文献很多，关于其机理的分析有两种说法：一是认为减阻与振动壁面上周期性顺翼展方向的涡旋状态有关，因为它在粘性底层减少了平均流速梯度，从而影响了边界层的剖面，近壁区流向涡也顺翼展方向重新排列，从而减弱了横向边界层的流向涡的波动强度。第二种说法认为，在湍流边界层存在准流向涡再生循环现象，壁面湍流是靠它来维持的。所以准流向涡是产生湍流表面磨擦力的主要原因，而壁面振动干扰准流向涡的再生循环实现了减阻目的。

6 超疏水表面减阻法

超疏水表面减阻受到水滴在荷叶上滚动而不沾湿荷叶的启发。荷叶表面有微米级的乳突和蜡状物，微米乳突上还有纳米结构，对水具有排斥作用。

目前较普片的认为疏水表面减阻的机理是“滑移长度”理论。认为水流经疏水表面时产生壁面滑移，使边界面上的速度梯度减小，从而剪切力减小，推迟了层流附着面的转变，使层流流态更稳定。

7 结束语

文章对船体减阻的原理、方法和意义进行了较为全面的总结。从以上的减阻方法中，我们可以看到很多的减阻概念是源于自然界生物或者自然现象的启发，因此这些减阻技术的发展离不开仿生学和新材料学的发展。

目前，非光滑表面减阻技术和超疏水表面减阻技术在实船上已有所应用，气泡减阻技术主要运用于船模实验中，实船上鲜有运用。想要将这些减阻技术在船舶实际工程中得以广泛和普及的应用，还有很多的技术难关需要攻克。

参考文献

[1]BechertD.W.Experimentsondrag-reducingsurfacesandtheir optimization with an adjustable geometry[J].Journal ofFluid Me-chanics，1997，338（5）：59-87.

[2]ChoiK-S. Near-wall structures ofa turbulentboundarylayer with riblets[J]. JFluid Mech.1989，208：417-458.

[3]朱秀芳，王钧.高分子涂层在水中减阻效果的研究[J].国外建材科技，2006，27（2）：6-7.

作者简介：张弛（1987，10-），男，湖北省武汉市（籍贯）；现职称：助理工程师；学历：本科；研究方向：船舶制造。