國內外船舶氣泡減阻技術的研究與應用

胡以懷，李慧晶，何 浩

（上海海事大學 商船學院，上海 201306）

設計與研究

國內外船舶氣泡減阻技術的研究與應用

胡以懷，李慧晶，何 浩

（上海海事大學 商船學院，上海 201306）

介紹國內外船舶氣泡減阻技術的研究情況，包括微氣泡減阻技術、氣幕減阻技術及氣膜減阻技術的試驗研究和理論計算結果，特別是俄羅斯傾斜板氣泡減阻技術、日本微氣泡減阻技術和我國薄層氣膜減阻技術的特點。同時，介紹國內外微氣泡減阻理論方面的力學模型、數值計算方法和重要結論。回顧20世紀60年代以來氣泡減阻技術在船舶上的應用情況，特別是俄羅斯、日本及丹麥等國設計的氣泡減阻船舶的性能和節能效果。針對我國目前氣泡減阻節能技術在實船上的應用現狀，分析存在的問題和不足，探討我國船舶氣泡減阻技術的應用前景。

微氣泡減阻；氣膜減阻；氣幕減阻；船舶節能

0 引 言

隨著工業時代的到來，能源和環境問題日益突出，溫室氣體排放量日益增多，加快了全球溫室效應的進程，船舶運輸業正面臨著前所未有的危機與挑戰。當前，航運業以其獨有的優勢在全球貿易中發揮著舉足輕重的作用，國際社會對其高能耗、重污染問題越來越關注。對此，國際海事組織（International MaritimeOrganization，IMO）制定船舶能效設計指數（Energy Efficiency Design Index，EEDI）來規定船舶碳排放指標，并逐步推行。

氣泡減阻技術可有效減小船舶阻力，這已在實船試驗中得到很好的驗證。俄羅斯、日本早先在氣泡減阻理論領域所做的理論研究和實船測試奠定了其在軍艦及民用船舶改進設計上的領先優勢。此類技術在高速滑行艇和低速運輸船上的應用帶動了其新型氣泡船的發展，給國際航運業帶來不小的沖擊。我國對氣泡減阻理論的研究起步較晚，與西方國家（甚至是日本、韓國）的差距較大，但有很大的發展前景。目前船舶空氣潤滑減阻按機理的不同主要為3種技術形式：

1) 俄羅斯的傾斜板斷級氣泡減阻技術，主要適用于過渡型淺吃水高速艇；

2) 日本的微氣泡減阻技術，利用風機，通過在船底開設的諸多小氣孔向船底輸送空氣，從而形成不連續船底氣泡層，實現氣泡減阻；

3) 我國的薄層氣膜減阻技術，利用風機向船底輸送空氣，通過船底設置的導流板裝置形成有效的船底連續薄層空氣膜。

1 研究現狀

早在19世紀末，傅汝德就已提出通過向船底輸送空氣來將水與船體隔離，從而減小船舶阻力的設想。受制于當時有限的理論研究，直到20世紀60年代微氣泡減阻技術才得以在民船上應用。目前該技術主要著眼于發展高速快艇、雙體船，與其他高速船（如水翼船、氣墊船）相比，高速氣泡船具有結構簡單、造價較低、離港方便和維護方便等優點。此類產品已率先在俄羅斯成型生產，日本也已在散貨船、礦石運輸船上對微氣泡減阻裝置的效果進行試驗，可見國內外對氣泡減阻技術較為重視。

1.1 國內外試驗研究

1.1.1 國外主要研究

1975年，蘇聯學者Migiernk，Dunisehev和Bogdevieh等采用多孔不銹鋼平板噴氣的方法進行微氣泡減阻試驗，將微氣泡引入到湍流邊界層內，從而達到降阻效果。試驗結果表明，噴氣孔直徑及氣泡體積濃度對減阻率的影響很大。當噴氣孔直徑為1～3μm時，減阻率最高；而當噴氣孔直徑＞50μm時，氣泡減阻幾乎不起作用。理想的氣泡直徑在1～50μm，在距離壁面1/10邊界層厚度處氣泡體積濃度達到最大，此時增大氣流通量，氣泡減阻效果會隨之提高，當噴氣量在流域中達到飽和后，增大噴氣量對減阻率沒有影響。

20世紀80年代初，美國研究人員在封閉循環水洞中進行平板試驗，對蘇聯的研究進行驗證，試驗最大噴氣流量約為其6倍，試驗結果基本與其一致，局部摩擦阻力最大可減小80%。試驗結果表明：保持來流速度不變，增大單位噴氣流量，減阻率明顯提高，直至流域中氣流量達到飽和；保持單位噴氣流量不變，增大來流速度，減阻效果下降。在試驗過程中發現，噴氣孔直徑與減阻率沒有直接關系，在相同單位噴氣流量和來流速度下，孔徑為0.5μm與100μm的減阻效果沒有區別。

20世紀90年代，日本廣島大學在空泡水筒內進行回轉體微氣泡減阻試驗[1]，分別向2組試驗模型注入微氣泡，對比試驗結果并觀察分析。研究發現：隨著噴氣量的增加，安裝整流帽的模型阻力由于摩擦阻力和模型后端的形狀阻力的增大而相應增大；加入氣泡覆蓋部分的另一模型的阻力隨來流速度和氣泡量的增大而明顯減少，氣泡吹出部分對興波阻力影響很小。由于模型被氣泡覆蓋，氣泡容易在浮力的影響下脫離邊界層，導致減阻率較低。

1.1.2 國內主要研究

國內也有不少學者對氣泡減阻機理進行模型試驗，得到一些研究成果。

1982年，上海船舶運輸科學研究所的蔡金琦[2]研究出氣膜定理，提出船舶薄層氣膜減阻節能技術，研究設計出能有效形成船底連續薄層空氣膜的船舶氣膜減阻節能裝置，獲國家發明專利。在船模試驗的基礎上，在1000t非機動駁船上對該裝置進行實船測試，實現減阻20.1%，節能15.2%[3]。根據35000t淺吃水船氣膜減阻模型試驗結果[3]，實現氣膜減阻 22.8%，壓載 31.6%。在縱傾狀態和橫傾狀態下，船底氣膜覆蓋面減小，影響減阻效果；壓載時氣膜覆蓋面相對增大，利于提高氣膜減阻效果。船模試驗和實船應用驗證了在船上應用氣膜減阻節能技術的可行性，可實現船舶減阻15%～30%。

武漢理工大學的王家嵋等[4-5]針對某平底型船模，在其底部的艏部和中部位置處安裝多孔硅板以生成微氣泡，分別進行不同拖曳速度、不同噴氣量下噴氣方式和船舶吃水對減阻率影響的對比性試驗，試驗數據是在測試5種拖曳速度和5種噴氣量之后采集的。結果表明，在艏部和中部同時噴氣的減阻效果要好于僅在艏部噴氣的減阻效果；吃水較淺且Fr≤0.646時，2種噴氣方式下的減阻率較高；縱傾角隨Fr的提高而大幅增大，但受噴氣量的影響不大。

海軍工程大學的董文才等[6]就噴氣方式變化對平板氣膜減阻的影響進行試驗研究，包括孔噴、縫噴、噴氣流量、來流速度及橫向斷階對平板阻力的影響。結果表明：無論采用哪種噴氣方式，在噴氣板后相當長的范圍內，摩擦阻力可減少80%；當v≥2m/s時，增大氣流量，摩擦阻力明顯減小，同一氣流量下減阻率隨來流速度的增大而降低。孔徑大小對減阻率的影響不大，過度減小供氣面積會導致同一孔徑和流量下的氣壓增大。當有橫向斷階時，前后測力板處摩擦阻力急劇下降，這是由于斷階空穴的形成引起了回流，使得氣膜減阻的效果增強。

1.2 微氣泡減阻的理論分析

當前對微氣泡減阻理論的研究仍處于探索階段，在研究微氣泡的減阻機理時，必須對氣泡的產生過程有所了解，包括微氣泡產生過程中各影響因素的作用及氣泡進入到邊界層中造成邊界層流動方式發生改變，使流動由1相變為氣、液2相。因此，微氣泡群在邊界層中的運輸是以氣泡與水的混合2相流進行的，對微氣泡減阻機理的研究主要著眼于2相流動，通過流動交界面的相互作用（即氣相與液相的相互作用力）來實現控制減阻效果的目標。

HARTMUT等[7]在研究微氣泡減阻原理的過程中提出微氣泡減阻的簡化應力模型。在單相二維湍流中，剪切應力為

式(1)中：lμ為湍流黏性系數；lρ為水的密度；為雷諾應力。雷諾應力可通過梯度擴散近似得到，即

令τmix為微氣泡射流剪切應力，τl,mix為微氣泡與水混合后的湍流黏性系數，vl,mix為微氣泡與水混合后的渦黏性系數，則τmix與不通氣泡時的τ的比值為

混合介質的密度定義為

考慮到水和空氣的密度差異，水汽混合物的密度可簡化為

式(5)和式(6)中：α為空隙率；lρ，0ρ分別為水的密度和空氣的密度。

對完全發展的湍流而言，湍流黏性系數要比運動黏性系數小幾級，因此式(4)可進一步簡化為

式(7)中：渦黏性系數與湍流黏性系數之比為103量級。

在對固體顆粒懸浮二相流的研究中，周明等[8]根據試驗測量數據分析得到一個經驗公式為

式(8)對液體中大范圍分布的氣泡擴散是成立的，故將其應用到式(7)中可得

式(9)中：第1項為黏性項；第2項為密度-湍流項。式(9)表明剪切力的減小主要依賴于空隙率α和湍流變換湍流在氣泡密集的情況下發生變化與氣泡聚集形成的混合媒介有關。為此，通常可對渦黏性系數vl取某個合適的數值來進行修正，特引入

式(10)中：αlim為氣泡極限體積濃度，可取0.8。最終得到

式(11)的應用范圍為0.3 ＜ α＜ 0.6。

MADAVAN等[9-10]采用混合長度模型對微氣泡減阻進行數值計算。HARTMUT等[7]和MADAVAN等[9-10]認為，微氣泡能改變氣、液2相混合流的局部密度和黏度，從而改變Re數，微氣泡的流動使得邊界層的結構向湍流轉變。隨著氣泡向邊界層外擴散，有必要修改湍流模型，適應新的氣、液2相混合流模型。由于處理方法不同，在對氣泡體積濃度分布的認識上，HARTMUT等[7]和 MADAVAN等[9-10]持不同觀點。HARTMUT等[7]認為近壁面處氣泡體積濃度最大，并取邊界層緩沖區中氣泡的體積濃度為矩形分布；MADAVAN等[9-10]則認為近壁面和邊界層外氣泡的體積濃度為 0，假定緩沖區中體積濃度為梯形分布。在水與微氣泡混合穩定的情況下，減阻效果十分明顯，邊界層中氣泡的體積濃度和位置分布很大程度上決定減阻率的大小。只有當氣泡處于緩沖區中時減阻效果最好，在黏性底層中的氣泡無法起到減阻效果。

梁志勇[11]運用偽譜矩陣計算方法，從平板的上表面和下表面引入微氣泡，對微氣泡平板減阻進行數值計算，在考慮有無壓力影響的情況下，研究來流速度和氣泡體積濃度的大小對減阻的影響。計算結果表明：微氣泡減阻與氣泡濃度、氣泡量、來流速度、氣泡引入方式及平板位置等諸多因素有關。在來流速度不變的情況下，通過增大氣泡體積濃度使氣泡減阻效果得到提高。在氣泡體積濃度不變的情況下，來流速度越大，減阻率越高，最高可達到82.21%。觀察發現，微氣泡的引入會在邊界層產生一定的壓力梯度，且氣泡引入方式不同也會影響減阻效果。當噴射量一定時，三角形分布的減阻效果要比梯形分布好，相反倒三角分布的減阻效果不佳。

2 實船應用

20世紀80～90年代，氣泡減阻技術得到迅猛發展，高速氣泡船先后在美國、俄羅斯試航成功。在速度方面，20世紀60～80年代相繼建造出航速達40～60kn的氣墊船、水翼艇，之后又建造出航速＞100kn的地效翼艇。雖然相關產品已日趨成熟，但因建造工藝復雜、開發成本和日常維護費用高，難以推廣。我國和日本也相繼對安裝有氣泡減阻裝置的低速平底船進行改進，多次實船測試已證明氣泡船在民用市場上的價值，但這難以掩蓋目前對氣泡船的應用仍處于初級階段的事實。

據報道，俄克雷洛夫研究院早在1965年就已對氣泡減阻技術進行應用研究，該機構先后完成30多個氣泡減阻船型的設計方案，排水量為14～360t。據不完全統計，已有超過70艘氣泡船投入運營[12]，涉及的船型主要有客運船、散貨船、巡邏艇、登陸艇、高速雙體船及多體船等（見表1），這其中就包括為海軍研制的“賽加羚羊”號和“鵝喉羚”號小型氣泡登陸艦。1993年，俄羅斯建成世界上第一艘氣泡內河船“琳達”號，其排水量為24.6t，最多容納70人，設計航速為29.5kn，航行里程可達400km。船模試驗結果表明，采用氣泡減阻技術可使高速滑行艇提速10%左右，大多數滑行艇降阻15%～20%，而壓縮機功率消耗不到主機功率的3%[13]。

表1 蘇聯和俄羅斯所建氣泡船

2009年，鹿特丹海軍工程企業DK集團成功開發出氣腔系統（ACS）技術，并為丹麥船東Dannebrog集團12580DWT的多用途貨船安裝了該系統。這是該公司的空氣潤滑技術在國際商船上的首次應用，很好地踐行了船舶低碳環保的設計理念。ACS由氣腔、控制系統和噴氣系統等3部分組成（見圖1）。通過安裝在船底的氣腔減小船底與水的接觸面積，使船在水面“滑翔”，減小船舶摩擦阻力，從而達到降低燃油消耗、控制CO2排放量的目的。受船型、主尺度和噸位的影響，油耗節省率保守估計在10%左右，投資回報期為1～2a，屆時ACS設備的投資回報率可達7%～10%。

據報道，大島造船廠和日本郵船公司聯合開發的搭載“主機旁通管空氣潤滑系統”的煤炭運輸船“雙洋”號于2012年7月27日正式竣工。該船配有最新的“空氣潤滑系統”，借助氣泡減小摩擦阻力，可削減 4%～8%的 CO2排放量。同時，該船設有“掃氣旁路”，不必在甲板上安裝鼓風機，不受載重增大導致吃水增加的影響，依靠掃氣余量投入到空氣潤滑中，從主機增壓器輸出部分燃燒空氣引導至船底，通過減小船體摩擦阻力提高發動機效率。該船在隨后的試航中順利通過信賴度確認和性能評價，證明了“空氣潤滑系統”的可靠性和高效性。

對于普通貨船、大型油船及集裝箱船等運輸船而言，在應用船舶氣膜減阻節能技術時，可有效形成船底連續薄層空氣膜，且僅需在船底開設1個或多個船底孔，風機消耗的功率約為主機功率的3%，可實現船舶節能 15%左右。該氣膜減阻系統較為簡單，且適合在舊船上加裝，利用船舶塢修期1～2d即可安裝完成，從而向船底輸送空氣，通過安裝的導流板裝置有效形成船底連續薄層空氣膜，但舊船的減阻節能效果取決于其實施條件。

3 結 語

在我國，船舶氣泡減阻技術尚未得到廣泛應用，大部分研究還處于模型試驗階段。因此，應盡快落實相關理論研究和實踐成果，大力開展應用技術的推廣，在借鑒國外研究成果的同時，注意以下幾個方面：

1) 當高速滑行船以一定速度航行時，船首底部水流產生的抬升力連同螺旋槳對船尾后部產生的負壓區會導致船體出現艉傾。在該航行狀態下，船首底板不斷受到水流的沖擊，將附近的空氣卷入到水中，并迅速隨水流向船底后方流去。這些隨水進入船底的氣泡將很快向上浮動并擴散，產生一定的“氣膜效應”。隨著航速進一步提高，航行阻力的減小放緩，不妨將該階段稱為“亞氣膜航行狀態”，高速快艇氣泡船大多通過在船底開槽來達到增強“亞氣膜效應”的目的。這正是該類船舶能在高速航行狀態下節能的原因，減阻率在相同噴氣壓力下基本上是隨速度的增大而提高的。但是，高速滑行的均系小艇，其滑行狀態與傅汝德數有關，當船艇處于滑行狀態時，艏部存在升力的同時也存在一個阻力分量，船艇的摩擦阻力為總阻力的 20%～30%，因此空氣減阻實際效果受到影響。由于船艇主機功率小，節能效果和低碳社會效益低于大功率的運輸船。

2) 與高速滑行艇相比，低速運輸船往往具有較深的吃水和肥大的船體型線，采用球鼻艏可改善其適航性和耐波性。船舶在低速航行時，形狀阻力有所下降；在提高航速時，肥大的船首會使航行阻力成倍增長。同時，船舶在低速航行時氣泡有效覆蓋面積較小，部分氣泡來不及覆蓋船底便已逃逸，因此很難在船底形成氣膜。此外，隨著船舶吃水的增加，減阻效果大打折扣，較小的噴氣流量使得減阻效果并不明顯，這也是低速運輸船在運用氣膜減阻技術時所面臨的一大難題。

3) 氣泡擴散進入螺旋槳，即混有氣體的水流進入螺旋槳的功能區，會嚴重干擾螺旋槳的功能，加快螺旋槳的剝蝕，給螺旋槳結構帶來損害，使船舶推進效率降低。因為許多船舶的螺旋槳是安裝在船尾底板龍骨線之上的，發動機座和艉軸大致與龍骨線平行。出于螺旋槳推力與船體型線配合考慮，其結構一般都水平安裝，這會減小軸系振動給設備帶來的磨損。高速滑行船為盡量減少“亞氣膜”對螺旋槳的干擾，通常會將螺旋槳安裝在船尾后方較遠的位置，將機座向后傾斜來滿足要求，并選用可在稍傾斜條件下使用的發動機。因此，船舶在應用微氣泡減阻技術和船舶氣膜減阻節能技術時都需處理好船底空氣對螺旋槳的影響，需依賴船模試驗研究實現科學合理的設計。

因此，船舶氣泡減阻技術的應用應針對不同船（艇）型，就噴氣形式、位置、噴孔大小及噴氣流量對減阻效果的影響，就氣膜（幕）對船體的穩定性和耐波性影響及導流裝置的使用進行一些優化設計，制訂出經濟、合理的氣泡減阻方案。

[1]土井康明，茂里一宏. 微小気泡による摩擦抵抗の軽減[C]//日本造船學會論文集. 東京：日本造船工程學會，1992, 170:55-63.

[2]蔡金琦. 35000t淺吃水貨船薄層氣膜減阻試驗研究報告[R]. 上海：上海船舶運輸科學研究所，1997.

[3]顧家彪. 1000t甲板駁薄層氣膜減阻實船試驗報告[R]. 上海：上海船舶運輸科學研究所，1990.

[4]王家楣，鄭曉偉，姜曼松，等. 不同噴氣形式船舶微氣泡減阻水池試驗研究[J]. 華中科技大學學報，2004, 32 (12): 78-80.

[5]王家楣，鄭曉偉，姜曼松，等. 不同吃水對船舶微氣泡減阻影響的水池試驗研究[J]. 船舶工程，2004, 26 (6): 9-12.

[6]董文才，郭日修. 平板氣幕減阻試驗研究[J]. 中國造船，1998 (S): 100-106.

[7]HARTMUT H, LEGNER A. Simple model for gas bubble drag reduction[J]. Phys. Fluids, 1984, 27 (12): 2788-2790.

[8]周明，李文采. 氣液兩相流的流場特性研究——隨機軌跡分離流數學模型[J]. 金屬學報，B輯，1990, 26 (3): 164-169.

[9]MADAVAN N K, DEUTSCH S, MERKLE C L. Reduction of turbulent skin friction by microbubbles[J]. Phys. Fluids, 1984, 27(2): 356-363.

[10]MADAVAN N K, DEUTSCH S, MERKLE C L. Measurements of local skin friction in a microbubble-modified turbulent boundary layer[J]. J. Fluid Mech., 1985, 156: 237-256.

[11]梁志勇. 微氣泡減少船舶阻力的理論研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2000.

[12]BUTUZOV A，SVERCHKOV A, POUSTDSHNY, et al. State of art in investigations and development for the ship on the artificial cavities[J]. Journal of Whuan Transportation University, 1999, 23 (S1): 1-10.

[13]MATVEEV K I. Transom effect on the properties of an air cavity under a flat-bottom hull[J]. Ships and Offshore Structures,2012, 7 (2): 143-149.

[14]梁桂華. 誰與爭鋒——俄羅斯海軍“布拉風”級氣墊導彈艦[J]. 現代兵器，2003 (11): 10-13.

Research and Application of Ship's Bubble Drag Reduction Technologies at Home and Abroad

HU Yi-huai, LI Hui-jing, HE Hao

（Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China）

This paper introduces the domestic and foreign research work on ship bubble drag reduction technologies,including experimental and numerical calculation results related to micro-bubble drag reduction, bubble curtain drag reduction and air film drag reduction. Special attention has been paid to the inclined plate bubble drag reduction technology developed in Russia, the micro-bubble drug reduction technology developed in Japan and the thin air film drag reduction technology developed in China. Meanwhile, both domestic and overseas mechanical models, numerical calculation methods and important conclusions are introduced. The applications of bubble drag reduction technologies on board ships since the 1960s are reviewed, especially the performance and the energy saving effect of those ships using bubble drag reduction designed by Russia, Japan and Denmark. In view of the present situation of the application of the bubble drag reduction energy saving technology in our country, this paper analyzes the existing problems and shortcomings, and discusses the application prospects of the ship's bubble drag reduction technology in our country.

micro-bubble drag reduction; air film drag reduction; bubble curtain drag reduction; ship energy saving

U661.31+1

A

2095-4069 (2017) 06-0001-06

2016-09-06

胡以懷，男，教授，博士，1964年生。1986年畢業于武漢理工大學，1993年獲得博士學位，現從事船舶動力裝置故障診斷、系統仿真及船舶新能源利用的教學和研究工作。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.001