现代船舶减阻方法探讨

胡 东

(贵港船舶检验局，广西 贵港 537100)

0 引言

影响船舶阻力的主要是流体介质，是流体力学的研究范畴。在水和空气等流体的影响下对船舶航行具有阻碍作用的力叫做船舶阻力。船体阻力的主要部分是主船体所受阻力；船体接触水面的阻力为流水阻力；未接触到水面的船体阻力为空气阻力。航行过程中由于船型、流速等原因船体所受阻力也有所差异，因此减少船舶阻力的方法要根据船体实际情况来确定。

1 影响船舶阻力的因素

船舶在航行过程中影响其动能的主要因素是船舶阻力，影响船舶阻力的因素主要有船型、船速、流体介质以及航行状态。因此，不同的船舶在航行过程中所产生的阻力是不同的，相同时速与船型在不同介质和水面航行所受阻力亦不相同，在研究船舶阻力时要综合船型和流体介质进行分析。

1.1 船型对航行阻力的影响

根据力学研究表明，不同的船体在航行过程中所受流体阻力是有差异的，船舶由于用途不同在设计上所考虑的因素各有差异。因此，在研究上只取用船型参数来表示其具体特征，体现在数据上就是排水量长度系数、方形系数、棱形系数以及船舯横剖面面积。

(1)船体的细长程度体现在排水量长度系数上，船体长度与排水量的关系比直接影响船舶航行的阻力。通过排水量的大小可以判断船只的长度，而船舶在设计过程中为减少阻力也将长度与宽度考虑在内，越长的船只的跨度就越窄，阻力也就越小，这也是为什么目前梭型船在航运中最常见的原因。当船只排水量增大时，就必须拓宽船只跨度，船型跨度变大后阻力随之增大，摩擦力与剩余阻力构成船舶阻力。

(2)船舶的宽度比也就是方形系数，方形系数对于船舶阻力的影响可以说是产生船舶阻力的最小因素。从局部看，对于追求速度的军用船舶等影响较大，其摩擦力影响因素所占比例较小但对剩余阻力来讲就比重较大，其产生的剩余阻力是细长船型产生的1.5倍左右。从整体分析，船体扁平程度吃水总阻力影响不大，可以忽略不计。

(3)棱形系数同方形系数一样只考虑其剩余阻力对于船舶阻力的影响，当剩余阻力过大时就说明棱形系数较高。

根据以上分析表明，船型对于船舶阻力的影响主要取决于船舶系数的变化，为减少船舶阻力选取船型时必须分析这三个系数，只有当三个系数指标都减小时，船舶的阻力才会减少。

1.2 船舶航速对阻力的影响

船舶航行时速度的提升与阻力的变化有直接关系，当船舶速度不断提升，船体底部与水面接触面积将逐渐变小，速度最快、阻力最小时基本与水面接触面积仅有停靠或慢速前进时的1/3。船体在快速行进中会主动抬升，抬升度越大与水面接触面积越小，抬升过程就是由水阻力向空气阻力变化和船舶阻力减小的阶段。船体抬升的原理就是力学中常见的两个原理。同等条件下水阻力大于空气阻力，而这种阻力差会形成一个压力差，此时产生的压力差是由于空气阻力与水面阻力上大下小形成的流速压力差，这就是造成船舶主动抬升的原理之一。

2 船舶减阻方法分析

2.1 肋条减阻法

20世纪70年代科学家在进行海豚的游动研究时发现，海豚身上的肋条有助于其游动的阻力减小，由此仿生学家展开研究，首次在船舶航行中提出肋条减阻法。肋条沟槽表面降低水动力阻力的机理不仅打破传统观念，还为船舶减阻带来新的研究方向，表面越光滑对水阻力越小的思维被彻底废弃。

经过技术发展与研究，运用仿生学家在海洋生物身上得到的启发，研究人员对各种沟槽形状的减阻能力进行对比后发现具有最佳减阻特性的是三角形沟纹。与此同时，研究人员对沟槽面湍流减阻的原理进行分析，认为水面与船底相接触的粘流底层厚度对船舶减阻有所影响，沟槽内会产生二次旋涡，这是水流逆流进沟槽内壁碰撞产生的动能交换，从而降低了总阻力。

2.2 船舶气幕减阻法

目前，我国高校和科研工作者提出一种新型船舶减阻技术，就是将船体表面流体性质改变，通过技术手段让船体表面形成气层，以便降低船舶航行的阻力。该技术原理主要是通过船身气孔向船体表面以及船底水面注入空气和船舶航行产生的废气，将船舶周围的流体改变，形成新的流动循环体系，将船体表面与水面的粘流度分离，减少摩擦阻力对船舶的影响。

这种利用水面与空气密度差的隔离式空气膜将船体整个包裹形成“保护罩”，且有大量实验数据表明，通过改变船体流体和密度并进行适当的流量水速控制，可以有效地减阻，还能减少能耗。因此，这项技术被大量运用于军事领域，其减阻研究前景是目前为止船舶工程和流体力学的研究热点，并逐渐形成一个新的学科体系。

2.3 气泡减阻法

气泡减阻法的应用主要分为两种情况：(1)微气泡减阻，适用于对速度要求不高的船只使用；(2)大气泡减阻，适用于小型高速船艇。两者的共同点都是将气体引入船底，在船底形成气泡流，利用气泡减小摩擦阻力降低流体粘流性，以此减少船舶航行的阻力。

微气泡减阻是船舶运输过程中在船底和水面之间形成一层保护层，通过改变摩擦减少摩擦力来实现船舶减阻。但是由于气层边界内层气泡在船舶行驶中容易产生形变，因此必须将其产生的预应力当作流体能量进行储存。这样既能达到减少能源消耗又能实现减少船舶阻力的预设，已经是当前船舶减阻设想实施过程最为成功的方法之一。

大气泡的减阻原理则是利用船底底仓空间将空气储存在空腔中，形成一个大型密闭气仓，达到减少摩擦成功减阻的目的。

但气泡减阻的方式运用于实践还需要进行大量实验和科学探究，在现实运用过程中虽然有所裨益，但是还是会带来一些负面的影响。由于气泡的制造和使用过程具有不可控性，无法准确预测气泡的形变和内力结构变化，因此将此设计思想在工程中具体实现还需要时间。

2.4 高分子聚合物添加剂减阻法

高分子聚合物添加剂减阻是目前运用较广泛的船舶减阻手段，其原理使用于多个领域，并且公认效果良好。但是高分子聚合物添加剂成本较高，当前科研人员虽然为降低成本进行了大量研究和资金投入，却效果甚微。这种技术运用于船舶减阻主要是在影响船舶阻力的流体内添加高分子聚合物，通过改变流体与船舶的摩擦力减低船舶表面的摩擦系数达到减小船舶阻力的目的。大量高分子聚合物添加剂的使用也会给江海环境造成影响，长期大量使用必定会带来后患，对聚合物添加剂的使用标准需要进行严格划分和规划。

3 结语

船舶减阻技术的应用和研发对于未来航运业的发展有至关重要的帮助，减少能源消耗是高耗能产业节源开流的最有效措施。面对航运来讲减小船舶阻力就是在有效地进行能源节约。在未来的船舶阻力研究中必须从产生阻力的原因入手进行研究，船舶减阻的概念源自于对自然生物的研究和自然现象的启发，因此生物物理学、仿生学、新型材料学已经成为现代船舶发展的科技基础。文章中所述船舶减阻方法已经在船舶航行中有所运用，但其具体效益还是需要在未来的船舶发展中不断摸索，在为我国航运研究创造价值的同时还有很多技术性难题亟待解决。