高速艇气膜减阻设计研究

孙鹏　赵藤

摘要：船舶节能以及提速一直是国内外造船业关注的重点，而船舶减阻无疑是船舶提速和船舶节能的主要途径之一，经我们研究讨论，认为气膜减阻技术具有很高的研究价值和可行性，因此成为了我们努力研究的方向。在此次船模设计中，我们在高速艇的船体相应位置嵌装导流槽，并在机舱内加装空气压缩泵，连接气管，气体从气管上的微小气孔逸出附着在船体表面形成微气泡膜。通过船模试验，我们证明了气膜减阻可以很好的提高高速艇的航速，从而达到节能减排的目地。

关键词：气膜；摩擦阻力；船模试验；节能减排

1.研制背景及意义

随着科技与经济的不断发展及世界能源危机的不断凸显，各行各业都在寻求可持续发展方案，船舶行业也不例外。一直以来，国与国之间的贸易往来主要通过船舶运营，虽然提高了各国的对外贸易额，但是船舶能源消耗也在加大，因此在船舶业如何做到低碳成为了一个重要的議题，许多国家正在努力地探求经济的船舶节能方式。

我国学者在这一技术上进行过很多研究。例如武汉理工大学张大有在1996年的由中国造船工程学会、中国航海学会和中国工程院机械与运载工程学部联合召开的“高速水运发展战略研讨会”上介绍了关于“高速船模喷气船底”的研究，并于1997年发表文章“关于‘气泡船模的研究及关键技术的分析”，系统的介绍了关于“气泡”船模的研究，认为这是一种亟待开发的高性能船型。我军海军工程工程大学董文才教授在国内首次完成了气层作用下的高速艇模型和实艇阻力的计算方法等，成功的掌握了实艇阻力减少25%的工程实现方法，为我国制造节能高效高速实体气泡船奠定了坚实基础。

国际造船业已经开始进行微气泡减阻技术的实船应用研究。据克雷洛夫研究院[5]的研究成果报道：他们已经开发成功的产品有两个型号，一是内河气泡艇“琳达”号；另一个是沿海用气泡登陆艇“岩羚”号。他们的经济性指标已优于常规水翼船和侧壁式气垫船。

而我们研究的微气泡减阻技术简单的说就是把空气引入船体表面，在船底表面形成气水混合的两相流，从降低液体粘性系数的角度来减小艇体的摩擦阻力，达到高速航运的目的。船舶微气泡减阻技术可以显著降低船舶燃料消耗，降低船舶气体的排放量，提高船舶航速及续航力，因而具有重要的经济和军事价值，这也是船舶减阻具有的重要意义。

2.设计原理及理论基础

在船舶航行阻力中，由于流体介质的粘性所引起的粘性阻力，按产生原因不同可分为摩擦阻力和形状阻力。在低速时占总阻力的80%-90%，而在高速时，则接近60%，因此减小粘性阻力一直是船舶减阻的重点。在形状阻力方面，主要通过优化船型来实现，在这里不做主要阐述。而我们研究的气膜减阻法则是从减少摩擦阻力的方面来实现船舶减阻，从而提高船舶的航行速度并实现节能减排。

表面摩擦阻力的减小就意味着降低能量消耗和节省燃料，或在可能提供的动力条件下提高船体的航行速度。据克雷洛夫研究院研究成果报导：高速滑行艇在功率相同的情况下，采用气层减阻可以提高航速10%-30%，在同样速度下，可以降低主机消耗功率的20%-40%，而低速货船，在同样航速下，使用气层减阻的船可以节省主机功率10%-30%。所需专业的压缩机的功率不到主机功率的3%，且所需的空气量不大。这充分说明了气膜减阻技术有很强的可行性。

国内外对于气膜减阻问题进行了大量的实验，有研究人员以二维平板为研究对象，设置主流速度为3m/s、喷入速度为0.9m/s、气泡直径为100为基准，利用数值模型来具体分析各项因素是如何影响空隙率分布，进而影响减阻率的。得出如下结论：喷入微气泡能够使得平板摩擦阻力的减阻率大幅减小，最大减幅预计可达85%；同一来流速度下，随着喷气流量的增大，减阻率增大，当喷气量达到一定程度后，此后增大喷气量，减阻率变化不大；同一喷气量下，随着来流速度的增大，减阻率减少；在10-100范围内，虽气泡直径对空隙率和减阻率的影响不大，但还是直径稍微大一些对减阻有利；不同喷气角度下，直喷情况下减阻效果好。

3.设计方案

本设计的初步减阻方案是在船底导流槽、船首及船侧强构件的位置加装排气管，在机舱内加装空气压缩泵，连接排气管，并在气管以及船体外壳相应的位置上开出均匀小孔，使产生的气体从船体上微小气孔排出并附着在船体表面形成微气泡膜。通过相应的调压阀来保证气泡的大小和逸出速度，使其达到理想的减阻效果。

1）在船底导流槽内龙骨两侧对称嵌装两根排气管，排气管上要开出均匀的小孔，并且加装空气气泵来增大气压，并且船底两侧的导流槽也可起到纵向防逸的作用，来控制气泡沿船体横向的逸出，增大艇底气泡的体积浓度，提高气膜船的减阻效果。

2）在船深方向也加装排气管，为保证船体的结构强度，选择在在船艏柱部分和船侧的肋骨等强构件位置加装的排气管，排出的气泡借助浮力和水流的作用，可以紧贴船体部分表面，从而进一步增大船体的气体覆盖表面，起到更好的减阻效果。

3）考虑到气泡逸出至螺旋桨周围可能影响螺旋桨的推动作用，所以我们在船尾部分将不嵌装气管。由于气泡运动轨迹线与轴线的夹角应大于开尔文角（19°28?），根据图示可计算导流槽尾部的极限位置。

4.结论与展望

1、高速艇应用气膜减阻机理能够减小阻力，提高航速。

2、针对高速艇，空心导流槽布置在船底中部，能有效增大气膜的附着面积，提高减阻效果。

3、气膜减阻效果受航速影响，相比于中高速时，低速时的速度增幅更为明显。

4、受尺度效应的影响，设计船模减阻效果较理论值偏低，主要是由于水粘性的作用，微气泡直径较大，无法达到预期效果所致。

5、该设计方案主要以高速艇为参考，其减阻机理可拓展到其它船型，尤其是大型远洋船舶。

6、可把此设计方案优化升级为空心导流槽气膜减阻技术，将其作为一种独立设备，使其更易安装于现行船舶。

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