高尔夫球效应在高速船上的应用分析

李 超， 杨斌方， 王化明

(1.浙江海洋学院 浙江省海洋渔业装备技术研究重点实验室， 浙江 舟山 316022；2.浙江欣海船舶设计研究院有限公司， 浙江 舟山 316100)

高尔夫球效应在高速船上的应用分析

李 超1， 杨斌方2， 王化明1

(1.浙江海洋学院 浙江省海洋渔业装备技术研究重点实验室， 浙江 舟山 316022；2.浙江欣海船舶设计研究院有限公司， 浙江 舟山 316100)

随着社会的发展和进步，人们的生活节奏越来越快，作为水上最高效的运输工具，在当今世界节能减排呼声日益高涨的大背景下，更快更节能的高速船船型的开发和应用更加迫切。本文首先对各种类型的高速船其发展历程和基本流体力学的原理进行分析，然后对日常娱乐生活中高尔夫球的飞行特点及其流场特征和减阻原理进行科学分析，最后对该效应在高速船上应用的可行性及发展前景进行了展望。本文研究可望为我国船舶设计部门开发新的高效节能高速船提供有益启示。

高速船 船型开发 高尔夫球效应 减阻节能

1 引言

随着社会的发展和船舶工业制造技术的进步，船舶的航行速度也得到了很大的提高。作为水上高速客运工具的高速船，在当今快节奏运作的社会中越来越受到人们的青睐，并开始成为造船界竞相研究和开发的重要船型。通常高速船舶定义为“设计静水时速在沿海水域为 25 kn及以上，在内河通航水域为35 km/h及以上动力支撑的船舶和排水船舶，但不包括常规客船、货船、滚装船和集装箱船[1]。”现在的高速船舶主要从事水上客运、娱乐、体育赛事等项目。作为水上客运的重要组成部分，高速船不仅提高了内河和沿海的交通运输效率，减轻了陆路交通运输的负担，还给人们的生活带来了极大的便利。另一方面，随着国际社会对船舶节能减排呼声的日益高涨，如何减小高速船的航行阻力，在实现高航速的同时减少燃油的消耗已成为当今世界高速船舶可持续发展所面临的亟待解决的重要问题。

“高尔夫球效应”是指在相同条件下，表面布满凹坑的高尔夫球(如图1所示)比同样大小但表面光滑的小球(如图2所示)飞行的距离更远。采取当前在高尔夫球运动中发现的粘性流体流动尾流场的变化原理，有望使高速船航行时的摩擦阻力显著减小，从而增加船舶航行速度，提高船舶的营运效率，减小燃料的消耗和废气的排放，实现高速船可持续发展。

图1 布满凹坑的高尔夫球

图2 表面光滑的小球

2 主要高速船类型及其原理

世界先进造船国家对高速船的研究和制造已有数十年的历史。我国从20世纪60年代开始，也致力于国防和民用高速船研究，并且取得了实用性的进展。其中，中国船舶工业在对军用高速船的研究过程中积累了许多经验和科研成果，改革开放后迅速转向民用，推动了中国高速船舶的发展。近几年来中国工程技术人员在高速船的研究和开发方面也取得了很大进展，现已开发使用的高速船类型主要有滑行艇、水翼艇、地效翼船等约30多种船型。高速船无论在军用还是民用船舶方面都有着很大的发展前景。

(1) 水翼艇。

水翼艇的研究工作始于上世纪初，美国人William E. Meecham早在 1906年于Scientific American发表关于水翼原理的文章。后来贝尔与Forlanini在美国海军的支持下开始建造水翼艇。二战期间，英、德两国的科学家对水翼艇进行了大量改进。上世纪50年代，意大利造船工程师在理论和先进制造工艺的基础上建造了大量水翼艇，其他一些造船强国也设计制造了各种军用及民用水翼艇。我国从上世纪50年代末开始水翼艇的设计与研发，到90年代中期主要的关键技术已经掌握，国内“远舟号”、重庆“公安202”和“远舟2000”相继投入营运，这标志着我国内河水翼船进入了国际先进行列。自主研制自控海洋水翼船技术也优于其他国家的同类产品。

水翼艇在水中航行依靠水翼为其提供升力，水翼艇航行速度加大时，水翼提供的升力也随之增大，最终使得船体整体或一部分抬升，减小了与水的接触面积，进而减小航行阻力，节约了燃油消耗。其航行阻力中由于流体粘性而产生的摩擦阻力成分占有相当的比重。

(2) 高速滑行艇。

滑行艇是最早研究依靠水动力航行的艇,关于滑行理论的研究也有近70年的历史，迄今它已得到了广泛的应用。从20世纪50年代开始，中国就大量建造和使用滑行艇和半滑行艇,并将其投入军事领域。滑行艇在水上公安、辑私、渔政等各个方面也发挥着重要的作用。80年代以后,随着国家改革开放政策的实行,各种民用滑行艇的建造数量也有大幅度增长，现在很多水上娱乐项目都离不开滑行艇。

滑行艇在高速航行时由于其特殊的船体结构艇体会被抬升，减小了与水的接触面积，使得航行阻力减小，速度进一步提高，其摩擦阻力也占有相当比重。

3 高尔夫球效应及其应用实例

现在高尔夫球运动已风靡全球，潇洒挥杆，小球进洞。我们不难发现，高尔夫球的表面都带有小凹坑。一开始高尔夫球采用的也是光滑小球，但后来人们发现在比赛中有个奇怪现象，很多高尔夫球手都喜欢用有划痕的旧球，经过对比发现有划痕的球比光滑的新球有着更优秀的飞行能力。因此,科学家根据流体力学原理设计出了表面有凹坑的高尔夫球，这些凹坑让高尔夫球的飞行阻力减小，同时平稳性和距离性比光滑球更有优势。在相同条件下，表面布满凹坑的高尔夫球比同样大小但表面光滑的小球飞行的距离更远，这就是高尔夫球效应。

(1) 高尔夫球效应的减阻原理。

高尔夫球在空中快速飞行时，由于空气的粘性会产生阻力，尾流区会形成湍流，湍流具有流场的漩涡性，漩涡消耗能量，从而使得尾流区高尔夫球表面的压强低于来流的压强，这样就造成球表面的压强非对称分布，即球的前部是高压区，后部是低压区，前后部的压力差导致形状阻力的产生。要减小飞行时的阻力，一般是要尽量避免或是推迟边界层分离现象，以减小尾流的范围。高尔夫球表面带有的小凹坑能够起到扰乱边界层的作用，恰好使得球表面的边界层分离点推后，减小了尾流区的范围，从而减小了高尔夫球的飞行阻力。

(2) 高尔夫球效应的适用范围。

高尔夫球表面的凹坑要想达到减阻的目的必须满足一定的条件——边界层分离。边界层是附着在球表面的一层薄薄的速度梯度较大流体层。分离主要原因是物体后面流场发生逆流，形成尾流区。尾流区的形态主要由雷诺数Re决定，对于同一物体Re比较大时，边界层分离现象明显。当Re>60时，便开始产生边界层分离现象，高尔夫球表面的小凹坑扰动了边界层使得边界层分离点推后，球的尾流区减小，前后压差变小，飞行阻力也因此减小，使小球飞得更远。船舶在航行过程中的Re一般会超过106。虽然船舶航行所处的流体介质和高尔夫球运动的流体介质性质不同，但是船舶在航行过程中表面也会产生边界层分离现象。因此可以把这种高尔夫球效应应用到船舶的某些位置，达到减阻的目的。

(3) 高尔夫球效应的应用实例及简要分析。

据相关资料介绍[11]，一些国外的科学家已成功把高尔夫球效应应用到了汽车上。他们在普通汽车表面附着一层粘土，然后在粘土上做出类似高尔夫球表面一样的凹坑，进行测试，结果显示：无坑9.3km/L；有坑:10.4km/L，省油达11%。这表明凹坑确实能够减小汽车的阻力，更省油。

4 高尔夫球效应在高速船上的应用分析

(1) 高尔夫球效应在水翼艇水翼上的应用。

水翼艇在水中高速航行依靠水翼提供升力，使船体抬升，减小与水的接触面积，来减小水翼艇的航行阻力，提高航行速度。但是水翼部分通常是完全或部分浸在水中，在航行时本身也会产生一定的阻力，我们在不影响其正常航行的情况下，应该尽量减小此部分的阻力，因此可以把高尔夫球效应运用到水翼上(如图3所示)，使得水翼艇在高速航行时水翼部分的边界层分离点后移，尾流区域减小，从而减小航行阻力，使得水翼艇在额定主机功率下获得更大的航行速度，减小燃油的消耗。当然，制造水翼表面的凹坑会增加制造成本，但如果省油达到10%以上，那么后期运营后能够节省很大一部分燃油费，由此产生的生产成本的增加也可忽略不计。

图3 表面带凹坑的水翼

(2) 高尔夫球效应在滑行艇上的应用。

和水翼艇一样，滑行艇是高速艇中的重要成员之一，把具有减阻效应的高尔夫球小凹坑应用到滑行艇的船体水线以下部分(如图4 所示)，滑行艇在航行的过程中，这些小凹坑会扰乱流体边界层，使得滑行艇的尾流区显著减小，同样起到减小航行阻力的效果，使得滑行艇更容易实现“滑行”。

图4 船底表面带凹坑的滑行艇

5 结束语

我国拥有5 800多条天然河流和一万八千余公里漫长的海岸线，加上众多的岛屿、海湾和湖泊，有很好的内河和近海船舶客运环境，船舶作为主要的交通工具的地位不可撼动。水翼艇和滑行艇为代表的高速船在高速客运和水上娱乐项目的发展前景非常广阔。把高尔夫球效应应用到高速船上能够起到减小航行阻力的目的，进一步提高航行速度，节约燃

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料，符合当今世界兴起的绿色船舶节能减排浪潮的要求。此外，通过对高尔夫球效应进一步深入研究，可望推广应用到其他航行器节能减排领域，以产生更大的社会效益和经济价值。

[ 1 ] 交通部港监局.中华人民共和国高速船船员特殊培训、考试和发证办法[S]. 1997.

[ 2 ] 郭值学.高性能船的发展与前景之管见(一)[J].中国造船,2001，42:80-82.

[ 3 ] 赵连恩,谢永和.高性能船舶原理与设计[M].北京:国防工业出版社,2009.

[ 4 ] 武际可.从麻脸的高尔夫球谈起——流体中运动物体的阻力和升力[J].力学与实践,2005，27:89-92.

[ 5 ] 宋秋红,夏泰淳,王世明等.工程流体力学第2版[M].上海:上海交通大学出版社,2012.

[ 6 ] 周光坰，严宗毅，徐世雄等.流体力学第二版[M].北京:高等教育出版社，2011.

[ 7 ] 张大雄.发展我国高速水翼客船的研究[J].江苏船舶,1990,7(3):8-16.

[ 8 ] 董文才，郭日修.滑行艇阻力研究进展[J].船舶力学,2000,4(4):68-76.

[ 9 ] 周雄.我国高速船发展概况 [J].航海科技动态,1995，11:1-7.

[10] 郭正松,龚小平.我国近中期高速船发展的构想 [J].武汉造船,1992，2:10-12.

[11] http://baike.baidu.com/link?url=XW1H57YT 1r JHiFnfb YXko CQqKU8jl Bqy79s TyA2NfW5 FzlllEgM7pmcYd6aDI3XpyvSOayrs387qY71_28HFa.

Application of Golf Effect in High-speed Boat

LI Chao1, YANG Bin-fang2, WANG Hua-ming1

(1.Zhejiang Ocean University, Key Laboratory of Marine Fishery Equipment and Technology of Zhejiang, Zhoushan Zhejiang 316022, China; 2. Zhejiang Seahead Ship Design & Research Institute Co., Ltd., Zhoushan Zhejiang 316100, China)

With the social development and progress, the speed of people′s life is become faster and faster. As the most efficient waterborne carrier, vessels are playing an important role. Nowadays, the calls for conservation of energy and the reduction of emission are rising. Under this background, the energy efficient is more urgent. In this article, the development of various kinds of high speed vessels and the basic principle of fluid mechanics are firstly introduced, and then the entertainment in daily life——golf′s characteristics of flight and flow, and the drag reduction principle are scientifically analyzed. At last, the feasibility and prospect of the development about the applications of the golf effect used in high-speed vessels are studied. This work is expected to provide useful insights to develop new energy-efficient high-speed boat for our ship design departments.

High-speed boat Development of ship-form Golf effect Energy-saving by drag reduction

国家自然科学基金项目(51109186)，国家星火计划项目(2013GA700256)，浙江省科技计划项目(2012D40066)，舟山市科技计划项目(2013C11004)，浙江省海洋渔业装备技术研究重点实验室开发基金项目(MFET201401)。

李 超(1991-)，男，本科。

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