高速艇气体润滑减阻技术的应用可行性研究

黄莹HUANG Ying；毕坚裔BI Jian-yi；牛震宇NIU Zhen-yu

（①渤海船舶职业学院，葫芦岛 125000；②渤海船舶重工有限责任公司博士后工作站，葫芦岛 125004）

1 研究背景

随着能源紧缺和环境污染问题愈发严重，国内外对各行各业的能耗及污染问题都提出了更高的要求，船舶行业也需科学经济的节能方式以实现可持续发展。船舶减阻是提高船舶经济性的最主要途径，因此，气体减阻技术受到了国内外学者的广泛关注。如俄罗斯于1993 年建成了排水量为24.6t 的内河船“琳达”号，是世界上第一艘气泡减阻船[1]。中国船舶重工集团公司第702 研究所自主设计研制了百吨级气膜减阻原理样船，该设计已成功地在中国长航集团的长航洋山2 号400TEU敞口集装箱船上进行了实船测试，气体减阻装置的综合节能效果可达7%以上[2]。

目前，越来越多的人通过高端体育娱乐来提升自己的生活品质，快艇现在已成为运动、娱乐、休闲的大众消费品，关于船舶气体减阻技术对快艇应用价值的研究，具有十分重要的意义。

2 船舶气体减阻的基本理论

2.1 气泡减阻技术原理

为了减少船舶航行时所产生的摩擦阻力，在航行的船舶与水之间注入气体，工程上通常通过气泡发生装置，在船舶底部形成气泡层，在船舶周围形成气液两相流，如图1 所示，从而改变船舶与水接触面附近的流体密度和黏度，这便会降低船舶航行时的摩擦阻力。

图1 气泡减阻原理示意图

2.2 气泡减阻所涉及的相关参数

在气泡减阻原理中，想要合理地描述和分析气泡减阻效果，就要准确地对气液两相流进行描述，所涉及到的气液两相流参数主要包括：

体积含气率：单位时间内流过某已截面的两相流总体积中气相所占的比例。

式中，φ——体积含气率；

G″——气相的体积流量；

G′——液相的体积流量；

A″——气相所占的流通面积；

A′——液相所占的流通面积。

截面含气率：气液两相流在任意截面上气相所占的截面比例。

式中，α——截面含气率。

喷气率：表征喷气面积与喷气体积流速和水的来流速度三个参数的无量纲量。

式中，p——喷气率；

Q——喷气体积流量；

AP——喷气孔面积。

两相流密度：气液两相流的密度，由气相密度和液相密度共同决定。

式中，ρ 为密度。

两相流速度：

2.3 船舶阻力的经典计算方法

HARTMUT 等[3]利用剪切应力来估算船舶气体减阻效果，并提出了气泡减阻的简化应力模型：

令τ 为微气泡射流剪切应力，γ 为微气泡与水混合后的涡粘性系数，则τ 与不通气泡时的τl的比值为

艇在航行时速度远大于气泡运动速度，气泡对水速的影响可忽略不计，因此认为喷气后形成的气液两相流速度与未通气时水的速度基本一致，即

又因空气的密度远小于水的密度，在计算时，可将气水两相流的密度近似由液相密度及液相含气率表示，即

因此公式（7）最终可简化为

在船舶气体减阻原理的理论计算过程中，常用的两相流粘性系数计算方法有两个，一个是由Sibree 提出的经验公式[4]：

式中μ 为动力粘度。

公式（11）是在截面含气率为0.3-0.6 范围时得出的，具有一定的局限性。

另一个是由Einstein 提出的经验公式[5]：

该公式对大范围的截面含气率情况都是成立的，故在计算减阻率时应用该经验公式来计算气液两相流的黏度。

将公式（12）带入到公式（10）中可得

从公式（13）中可以看出，减阻效果主要由截面含气率和喷气前后流体的湍流变化程度决定，而湍流的变化程度与气泡的分布及含气率有关，通常对涡粘性系数取某个合适的值来进行修正，即

公式（14）中，αlim为气泡极限含气率，通常取0.8，故最终可得到减阻率的计算公式为：

3 气泡减阻应用可行性

3.1 船舶气体减阻优势分析

当航行阻力大大降低时，相同的功率下，船舶会具有更高的航速，这大大地提升了能源的利用效率。国际海事组织提出了船舶能效设计指数（EEDI）来评估船舶的节能减排效果，中国船级社也颁布了《船舶空气润滑减阻系统检验指南》，用于计算安装有气体减阻系统的船舶的能效设计指数的计算。船舶气体减阻的节能关系为[6]：

式中：f 为摩擦产生的阻力；Aa为空气覆盖面积；Aw为总湿表面积；%DR为被空气覆盖的船体上的摩擦减阻百分比；Pc为运行空气供给设备所需的功率；ηp为螺旋桨的工作效率；PD为克服船舶总阻力所需的功率；ηe为空气供给设备的工作效率[6]。

综上可知，船舶气体减阻技术是十分有效且可行的，从理论上来说，船舶气体减阻技术可实现85%左右的减阻效果[7]，实际的船舶气体减阻率约为4.8%-28%，可有效节省3.1%-16%的功率。从减少碳排放的角度分析，船舶气体减阻技术预计每年可节省930 万吨~4800 万吨燃油，相应的每年可减少0.3-1.5 亿吨的二氧化碳排放量[8]。

3.2 气泡主要产生方法

3.2.1 电解产生气泡

早在1973 年，便有苏联的科学家[9]将水下回转体模型缠绕铜导线后完全浸没在水中，通过电解水产生氢气泡的方法将船舶周围变成气液两相流，如图2 所示。但此方法需要将铜线及其所缠绕的船体浸没在水中，需要大量的铜线，运营成本过高，违背了船舶减阻节能环保的初衷，因此该方法往往应用于科研领域，在实际的船舶中应用很少。

图2 电解产生气泡原理图[10]

3.2.2 孔板喷气法

日本学者[11]通过在船体模型底部设置用于产生气泡的多孔孔板来进行实验研究，发现该方法可有效降低航行时的摩擦阻力，该方法的基本原理为从气孔中向外喷出空气或者船舶航行产生的废气，在船底的水中形成大量的小气泡，从而使航行的船舶周围流体变为气液两相流，以达到减阻效果。该方法简单易实现，应用比较广泛，具有良好的发展空间。

3.2.3 倾斜版法

倾斜版法的基本原理是通过将船翼设置一定的倾斜角度，当水流过船翼时，空气和水的两相界面会产生负压，使得水面上的空气会被吸入水中，形成气水两相流，船翼下游便会航行在气液两相流中，对于吃水较深的船舶，水流过船翼所形成的负压不足以将水面上的空气吸入水中，需要额外的设备参与。

4 提高减阻效果的关键因素

4.1 快艇气体减阻特点

相较于大型船舶而言，快艇的船体更加细长，尺寸相对较小，运动性能很强，操纵性能灵活，吃水较浅，浮力相对较小，船舶重量主要依靠航行时的动升力提供，在高速运动过程中还会产生喷溅波。基于快艇的结构及航行特点，可以发现，船舶气体减阻技术应用于快艇时，比大型船舶更具难度，主要原因包括：①船体窄，船底面积小，气泡易从两侧扩散；②航行速度快，气泡快速向船尾处聚集；③船舶吃水较浅，水表面的波浪易加速气泡扩散。故船舶气体减阻技术应用于快艇的关键难点是气泡覆盖船底的时间较短，较难在船底形成稳定的气液两相流，气泡难以起到润滑减阻的效果。

4.2 提高气泡减阻效果主要措施

结合船舶气体减阻优势、快艇自身特点以及上述分析所了解到的技术难点，提高快艇气体减阻效果主要从以下几个方面突破：

①选择合理的气泡产生方式。快艇吃水较浅，故很难选择需要将电极覆盖在水中的电解法，但若选择倾斜板法，吃水浅的特点便可视为其优势，合理的船翼设计便可以充分利用水面上的空气在快艇周围形成气液两相流。而气孔喷气法具有很好的普适性，因此，多数的快艇会同时采用喷气法和倾斜板法。

②改善船底喷气方案来提高气体减阻效率。根据不同快艇的船底结构，在船首和船尾多个位置设置喷气孔板，多个孔板协同工作可改善气泡扩散所导致的快艇后半段气体减阻效果不佳的缺点，不同孔板所在位置和不同位置孔板上的气孔尺寸、气孔形状、气孔数量、气孔位置分布以及气孔的喷气流量对快艇的气体减阻效果都有着明显的影响。

③改变船底结构来增加气泡覆盖船底的面积和时间。在保留快艇原有性能不变的前提下，通过改变喷气孔下游的船体线型，使气泡尽可能多地保留在快艇底部，目前应用比较广泛的改进方法是在船底设置气槽，合适形状及尺寸的气槽，可在快艇底部形成稳定的气层，大大提高了船舶气体减阻效果。

5 总结与展望

船舶气体减阻技术在快艇上还未得到广泛应用，实船应用相对较少，相关技术还处于探索阶段，本文结合船舶气体减阻原理、可行性以及快艇的特殊性，对气体减阻技术在快艇上的应用前景进行了分析，可总结如下：

①船舶气体减阻技术是利用空气和水的密度差，在船体表面和水之间注入气体，形成气水两相流，使船舶航行时的阻力减少，很多学者通过理论研究、数值模拟及实船试验证实了该技术可以大大减少船舶航行时的阻力，从而提高船舶效率。

②气体减阻技术可以起到良好的节能减排效果，目前将气体减阻技术应用在船舶上的手段较多，常见的有电解法、孔板喷气法及倾斜版法，无论是从学术研究方面、工程技术方面还是从时代发展需求方面，船舶气体减阻技术都具有优越的可行性。

③相较于大型船舶，快艇具有船身细长且吃水较浅等特点，基于快艇特点可以发现，气体减阻技术应用在快艇上的技术难点是气泡覆盖船体面积和时间不足，可主要从选择合适的气泡产生方式、改善船底喷气方案及改良船底结构等三个方面提升快艇气体减阻效果。