95000DWT散貨船噴氣減阻模型試驗研究

葉 青，董文才

（海軍工程大學艦船工程系，武漢湖北430033）

95000DWT散貨船噴氣減阻模型試驗研究

葉 青，董文才

（海軍工程大學艦船工程系，武漢湖北430033）

為探討氣層減阻技術在大型低速運輸船舶上的實施方法，在拖曳水池里開展了95000DWT散貨船1∶38模型噴氣減阻試驗，研究了氣流量、航速、排水量、凹槽深度對噴氣減阻效果的影響規律。試驗結果表明：在95000DWT散貨船模型底部設置凹槽并噴氣，模型總阻力大幅度降低。隨著氣流量增加，阻力降低幅度增大，存在一個飽和氣流量：當Fr＝0.139～0.182時，隨航速增加，減阻率呈降低趨勢；凹槽深度增加，噴氣減阻效果提高，但不噴氣時凹槽會導致阻力增加，且阻力增加幅度隨凹槽深度增加而增加，存在一個最佳凹槽深度（h／B＝0.024）；壓載排水量減阻率高于設計排水量減阻率。凹槽深度20 mm，設計航速下，飽和噴氣（Cq＝0.210）時，設計排水量下絕對減阻率可達26.99%，壓載排水量下絕對減阻率可達33.79%。

肥大型船；氣層減阻；氣流量；航速；排水量；槽深；相對減阻率；絕對減阻率

探討氣層減阻技術在大型低速運輸船舶上的實施方法，獲得減阻效果顯著的設計方案是該技術走向工程應用首先需要解決的關鍵問題。鑒于上述原因，在拖曳水池里開展了95000DWT散貨船噴氣減阻模型試驗，探討氣流量、航速、排水量、凹槽深度等對噴氣減阻的影響規律，尋求肥大船型大幅減阻的氣層設計方案，以推動該技術在我國的實際應用。

1 試驗簡介

試驗模型為一條95000DWT散貨船，縮尺比為1∶38。該船是典型的肥大型船，具有大平底、長平行中體的特點。表1給出了模型的主尺度參數。表中LWL為設計水線長，BWL為設計水線寬，H為模型總高，Cm、Cb、Cp分別為舯剖面系數、方形系數和縱向棱形系數。ΔWL和TWL表示設計排水量和設計吃水，ΔBW和TBW表示壓載排水量和壓載吃水。圖1給出了試驗模型橫剖線圖，從船艉至船艏依次為0站至20站。

表1 95000DWT散貨船模型主要參數Table1 The hull parameters of 95000DWT bulk carrier model

圖1 模型型線圖Fig.1 The body?plan of the test model

圖2 船底凹槽設計示意圖Fig.2 Sketch of the hollow

圖3 水池中航行的試驗模型Fig.3 The experimental model sailing in the tank

在模型底部設置人造凹槽，其縱向位置為：船艏18站前150 mm至船艉4站稍前處。凹槽總長4.32 m，總寬0.82 m，如圖2所示。凹槽面積與船體平底面積之比為83.6%，與設計排水量下的船體濕表面積之比為37.3%。試驗中模型底部凹槽深度變化4種，對應凹槽深度寬度比h／B分別為0.012、0.018、0.024、0.03。

試驗在中國特種飛行器研究所高速拖曳水池完成，試驗水池長510 m，寬6.5 m，水深5 m。阻力測量采用CSSRC?40型拉力傳感器，量程為40 kg，精度為0.3%。升沉測量采用FWP?1.2拉線式位移傳感器測量，量程1.2 m，精度0.2%。在水池底部布置水下攝像頭，以捕捉噴氣航行時底部凹槽內氣層形態，圖4給出了水下攝像頭拍攝的船底凹槽氣層形態照片。

圖4 模型底部氣層形態Fig.4 The air layer form under the bottom hull

2 試驗結果及分析

2.1 不噴氣靜水阻力

圖5、6給出了設計排水量、不同凹槽深度下，模型不噴氣時單位排水量阻力和重心高度隨速度的變化曲線。圖7給出了壓載排水量、不同凹槽深度下模型不噴氣時單位排水量阻力變化曲線。其中，Rt／W表示單位排水量阻力；Zg表示重心高度變化，正值表示船體上抬。Fr為長度傅氏數，采用式（1）計算。

式中：V為模型速度，g為重力加速度。

同時，建議將滑坡區發現的裂隙(縫)等用粘土進行回填封閉，施工期應設站加強邊坡變形監測，特別是汛期應加密觀測。

圖5 設計排水量下不噴氣時的總阻力Fig.5 The hull resistance at designed displacement without air injection

圖6 設計排水量下不噴氣時的重心高度變化Fig.6 The height of center of gravity at designed displacement without air injection

圖7 壓載排水量下不噴氣時的總阻力Fig.7 The hull resistance at ballasted displacement without air injection

由圖5～7可以看出，隨著航速增加，模型阻力、重心下沉量均增加。在模型底部開設凹槽后，阻力增加，且隨凹槽深度增加阻力增加幅度增大，其原因主要是開設凹槽后導致模型形狀阻力增大。Fr＝0.107～0.182時，h／B從0.012增大至0.03時，模型阻力相對光體狀態下增加約10%～25%。

2.2 噴氣減阻率

定義無因次氣流量系數Cq、相對減阻率ηR、絕對減阻率ηa如下：

式中：Q為氣流量，B為凹槽寬度，h為凹槽深度；R為模型設置凹槽、不噴氣時的阻力；Ra表示模型設置凹槽、噴氣后的阻力；R0表示不噴氣時模型的光體阻力。

表2、3分別給出了h／B＝0.024時，模型設計排水量和壓載排水量時，不同速度下減阻率隨無因次氣流量系數的變化。需要注意的是，相對調節氣流量而言，改變航速較為方便，故開展試驗時采用固定氣流量變航速的方法，因此表2、3中，相同氣流量時，隨Fr增加Cq逐漸減小。

表2 設計排水量減阻率Table2 Resistance reduction rate at designed displacement

從表2、3中可以看出：設計航速Fr＝0.155下，模型設計排水量時相對減阻率最大可達44.33%，絕對減阻率可達32.70%；壓載排水量相對減阻率最大可達51.46%，絕對減阻率最大可達39.51%。也可得知：氣流量及航速對減阻率有較大影響。

表3 壓載排水量減阻率Table3 Resistance reduction rate at ballasted displacement

2.3 氣流量的影響

對不同凹槽深度下數據進行分析后發現，不同凹槽深度下，模型阻力和重心高度隨航速、氣流量的變化規律基本一致。為此，本文以槽深h／B＝0.024為例分析氣流量及航速的影響規律。

圖8 Fr＝0.155時阻力和重心高度隨氣流量的變化Fig.8 The effect of air flow rate on resistance at designed displacement for Fr＝0.155

圖8分別給出設計排水量、航速Fr＝0.155時單位排水量阻力和重心高度隨氣流量的變化曲線。由圖8（a）可知：兩種排水量下，船底噴氣均引起Rt／W減小；隨氣流量增大，Rt／W減小量增大，但存在一個飽和氣流量，當Cq＞0.210時，減阻幅度趨于平緩。分析原因，主要是隨著氣流量增大，模型底部氣層覆蓋區域逐漸增加，當氣流量達到飽和時，模型底部凹槽已經完全被氣層覆蓋，繼續增大氣流量，對減阻效果提高不大。

由圖8（b）可以看出：隨著氣流量增加，船體重心下沉幅度減小，當氣流量增大至Cq＝0.224時，船體上抬較為顯著。這主要是氣流量較大時，船底凹槽被氣體完全充滿，使得模型吃水減小。

2.4 航速的影響

圖9分別給出了不同排水量和氣流量下絕對減阻率隨航速的變化。

圖9 設計和壓載排水量下絕對減阻率隨速度的變化Fig.9 Absolute resistance reduction rate varies with speed at designed displacement and ballasted displacement

由圖可知，模型速度增加，減阻率呈降低趨勢。這主要時因為隨著航速增加，摩擦阻力在總阻力中所占比例變小，因此減阻效果降低。由表2、3數據可知：設計航速下，取飽和氣流量為Cq＝0.210時，設計排水量下絕對減阻率可達26.99%，壓載排水量下絕對減阻率可達33.79%。同時，對比兩種排水量減阻率，還可以發現，壓載排水量減阻率高于設計排水量減阻率，這與兩種排水量狀態下摩擦阻力占總阻力比例有關。

2.5 凹槽深度對減阻率的影響

圖10分別給出了設計航速時，設計排水量和壓載排水量下絕對減阻率隨無因次氣流量系數的變化。可以看出：隨著凹槽深度增加，絕對減阻率增大，減阻效果提高，但隨著凹槽進一步增加，減阻效果提高趨勢減緩；存在一個最佳凹槽深度，當凹槽深度大于最佳凹槽深度時，相對減阻率不增反減。從試驗中觀察可知，凹槽較淺時，氣體較易從船體兩側逸出，增加凹槽深度有利于模型底部形成氣層并使氣層覆蓋率上升，但是過大的凹槽深度帶來的阻力增加會使減阻效果降低。綜合考慮開設凹槽帶來的阻力增加，試驗模型最佳凹槽深度h／B＝0.024。

圖10 設計和壓載排水量不同凹槽深度絕對減阻率隨無因次氣流量系數的變化Fig.10 The effect of air flow rate Cqon absolute resistance reduction rate at different hollow depths at designed displacement and ballasted displacement

3 結論

1）在模型底部開設凹槽后，模型阻力增大且隨凹槽深度增加，阻力增加幅度增大。

2）噴氣后模型總阻力大幅度降低；隨氣流量增加，阻力降低幅度增大，存在一個飽和氣流量，氣流量達到飽和后，阻力降低趨于平緩。

3）隨模型速度增加，減阻率呈降低趨勢。

4）隨凹槽深度增加，噴氣減阻效果提高；存在一個最佳凹槽深度，當凹槽深度大于最佳凹槽深度時，減阻效果不增反減。綜合考慮開設凹槽帶來的阻力增加，試驗使用模型最佳凹槽深度為h／B＝0.024。 5）壓載排水量減阻率高于設計排水量減阻率。

6）凹槽深度20 mm時，設計航速飽和噴氣（Cq＝0.210）時，設計排水量下絕對減阻率可達26.99%，壓載排水量下絕對減阻率可達33.79%。

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Model experimental study on resistance reduction of a 95000DWT bulk carrier by air lubrication

YE Qing，DONG Wencai
（Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In order to investigate the implementation of air lubrication on full?formed ships，a model experiment of a 95000DWT bulk carrier at a scale of 1∶38 was carried out in a towing tank.The effect of air flow rate，velocity，displacement and hollow depth on drag reduction was investigated.The results show that the model's total resist?ance decreases rapidly when a hollow is set up at the bottom hull of the 95000DWT bulk carrier with air injection.The reduction of resistance becomes more obvious as the air flow rate increases.There is also a saturated air flow rate in which the resistance reduces slowly when the air flow rate is greater than it.When Fr＝0.139～0.182，the resistance reduction rate decreases with the velocity increasing and the effect of drag reduction improves as the hol?low depth increases.However，without air injection，the hull resistance will increase due to the hollow and that the increase is larger with the increasing of the hollow depth，thus，there is an optimum hollow depth（h／B＝0.024）.The reduction of resistance is greater at the ballasted displacement than the designed displacement.The absolute re?sistance comes to 26.99%at the designed displacement with a hollow 20mm deep at the designed velocity and the saturated air flow rate（Cq＝0.210），and it comes to 33.79%at the ballasted displacement

full?formed ship；air lubrication；air flow rate；navigational velocity；displacement；hollow depth；rela?tive resistance reduction rate；absolute resistance reduction rate

10.3969／j.issn.1006?7043.201309075

U631.1

A

1006?7043（2015）01?0068?05

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20141107.1523.002.html

2013?09?23.網絡出版時間：2014?11?07.

工信部高技術船舶科研資助項目（［2011］530）.

葉青（1985?），男，助理工程師；

董文才（1967?），男，教授，博士生導師.

董文才，E?mail：haigongdwc＠126.com.