人工气泡船水动力性能试验研究

程红霞，倪其军，邢圣德，何术龙

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

1 引 言

高速气泡船是一种发展中的新颖高效高性能船型。它与水翼艇、侧壁式气垫船等其它高性能船相比较，不仅经济性指标优良，且由于结构相对简单的优势，具有日常维护保养简单、靠离码头方便、吃水较浅、保障要求及造价均较低等显著特点，因而该船型适用范围广，具有广阔的军用和民用市场前景，其潜在的社会效益及经济效益十分显著，已成为当前国际造船界的研究开发热点。俄罗斯是目前世界上开发高速气泡船最成功的国家，已建有实船70多艘，国内目前还处在理论和试验研究阶段，且应用的多为微气泡,采用的喷气方式为孔喷或缝喷，气泡直径为10-5～10-4m量级[1-7]。

中国船舶科学研究中心一直高度关注高速气泡船国内外的发展动向，开展了大量研究及论证工作，现阶段正在前期理论研究的基础上，把已批量生产的某深V形滑行艇船型改造成气泡船，在相同主尺度和相同排水量情况下进行了模型试验，既达到了探索气泡船自身的特性的目的，又获取了气泡船与常规船性能的直接对比结果，佐证了气泡船的综合航行性能优于常规的深V型滑行艇。该型气泡船采用人工大气泡，通过一定压力和流量的气体在船底某一低压区引入，并在预期的区域内构筑气泡腔围壁，达到一个稳定的气泡腔。这与微气泡降阻过程中的微气泡发生器和微气泡稳定性是两个完全不同的概念。国内针对这种人工大气泡船的研究开展较少，以下是对这种船型的部分水动力性能进行初步探索。

2 模型试验

2.1 模型情况

本次试验对象为一人工气泡船和一常规折角船，模型缩尺比为λ=5，两船模型横剖图见图1和图2，主尺度列于表1中。两船模型照片见图3及图4。根据对俄合作调研结果与文献资料[8-9]，俄对气泡船的试验研究方法与其原型艇相同。考虑到本次对比试验气泡船与其原型常规折角船具有基本相同的线形，故本次试验采用适用常规滑行艇的拖曳试验方法；针对气泡船的特殊性，另配有一套特制的气泡发生装置，两船模型和实船满足几何相似和傅如德数相似。

图1 人工气泡船线型图Fig.1 Body lines of the bubble ship

图2 折角船线形图Fig.2 Body lines of the planing ship

表1 人工气泡船与折角船模型主尺度Tab.1 Main parameters of the bubble ship model and planing ship model

图3 人工气泡船试验模型Fig.3 Test model of the bubble ship

图4 折角船试验模型Fig.4 Test model of the planing ship

2.2 试验内容

（1）人工气泡船流量调试试验：在气泡船水平吃水状态下，不断改变通气的流量，对比试验所得的阻力值，以选取后续试验所需的合理流量值。

（2）人工气泡船充气前后对比试验：在水平吃水状态下，在某一船速，进行人工气泡船充气前后的阻力对比试验。

（3）人工气泡船与折角船静水阻力对比试验：在同一静浮尾倾下，人工气泡船和折角船以相同船速在静水中前进时，两者性能对比试验。

（4）人工气泡船与折角船波浪中性能对比试验：在同一静浮尾倾下，人工气泡船和折角船以相同船速在相同海况中前进时，两者性能对比试验。

3 试验结果及分析

3.1 人工气泡船流量调试试验

人工气泡船流量调试试验结果见图5，试验选取一典型速度Vm=5.0 m/s，从图中可以看出：不通气时，气泡船总阻力较大，通气后，总阻力下降较快，但在某一流量临界值Qm0=2.5l/s之后，总阻力几乎没什么变化。因为气流量达到该值之后，气泡在气腔内趋于稳定，试验过程中也观察到气泡在该流量之后，气泡的长度基本不变。因此，后续试验中，气泡船的通气流量均采取该临界值，以节省风机功率。对应于实船所需气流量有Qs=Qm×λ2.5，由此根据试验结果Qm0也可确定实船所需的一个经济流量Qs0。

3.2 人工气泡船充气对比试验

表2为人工气泡船自身通气前后的静水试验结果对比，模型速度Vm=5.0m/s，通气流量就选取由流量测试试验所得的临界值，从表中可以看出，气泡船在通气后阻力下降较大，降幅近达一半，这是由于不通气时，气泡船底部的气腔不仅增加了摩擦阻力，更多的是增加了气腔断阶后旋涡阻力。通气后气腔内形成了一个稳定的气泡，使船底线型又变成一个光顺的曲面，减小了阻力。

3.3 模型阻力试验

在确定人工气泡船通气后气泡能稳定生成的前提下，我们进行了人工气泡船在静水及波浪中的性能试验。并与折角船进行了对比。

两船在相同尾倾状态下进行了静水中拖曳试验。气泡船的充气流量选取2.5l/s。模型阻力试验结果无量纲化后见图6。

由图6可见，低速时折角船阻力较小，因为低速时气泡生成长度较小，空气在船底形成的小拱形区还不及常规船型所构成的光滑船底，导致了阻力增加。中高速时气泡船阻力较小，特别是高速时气泡船阻力下降较多，Fn▽为2.95时，气泡船阻力下降就达27%。分析其阻力下降的原因有：

（1）从理论研究的结果[10]及试验现象来看，人工气泡船在断阶后可形成一个稳定的，具有一定压力值的气泡腔，这是人工气泡船之所以能降阻的最重要的、最本质的基础条件。

图5 阻力随流量变化曲线图（Vm=5.0 m/s）Fig.5 The effect of flux to resistance of the bubble ship(Vm=5.0 m/s)

表2 人工气泡船充气前后试验结果对比Tab.2 Comparison of the resistance of the bubble ship model with and without air

（2）从减小船底浸湿面积上看，当Fn▽=2.95时，模型湿面积从 0.682 m2减少到0.478 m2，减少29.9%，则相应摩擦阻力可减少29.9%,经计算为0.87 kg，总阻力相应减少16.0%。

（3） 从试验结果分析，当 Fn▽=2.95时，经过计算水动升力、气垫升力、静水浮力分别为 14.47 kg、8.63 kg 和 8.89 kg，分别占总排水量的45.2%、27.0%和27.8%。由此可见，该气泡船在高速时艇体抬升是气垫和滑行共同作用的结果。可见该气泡船是气垫与滑行艇复合的新船型，对于该船型，滑行水动升力仍支撑了大部分的艇重，起主要作用。

（4）气腔垫升的艇重为8.63 kg，相当于艇的排水量减少8.63 kg，参考62系列试验资料[11]，可知当艇的排水量下降8.63 kg时，阻力可下降百分比约为10.8%。也因此气泡船相对其原型折角船阻力高速时下降的原因有两点：一是气泡的存在使得摩擦阻力减少，另一方面是气泡也垫升了艇体，起到卸载作用，使得气泡船相当于一轻载的滑行艇，减小了湿面积，也使得总阻力下降。

3.4 模型在规则波下试验

波浪中试验也是在相同尾倾的初始状态下，船模以4 m/s的速度在二级浪（H1/3=0.25 m，T0=3.0 s）中顶浪航行，进行了规则波试验，规则波试验结果无量纲化后见图7。

图6 两船静水中阻力比较曲线Fig.6 Comparison of the resistance of the two ship models in calm water

图7 两船波浪中性能比较Fig.7 Performance comparison of the two ship model in waves

由图7可见，规则波中人工气泡船的波浪增阻响应幅值最大值、纵摇响应幅值最大值、尾部加速度响应幅值最大值均明显小于常规折角船；规则波中人工气泡船的升沉响应幅值最大值、首部加速度响应和重心处加速度响应的幅值最大值稍大于常规折角船[12]。

4 实船换算

4.1 实船静水有效功率换算

由于气泡船的原型船是滑行艇，且气泡船主要仍是水动升力支撑大部分艇重，故气泡船和折角船均采用滑行艇的换算方法进行换算。

采用二因次Froude法将模型试验结果换算到实船上，船的总阻力分成摩擦阻力和剩余阻力[13]，用下式来计算总阻力系数：

式中：RTm为模型总阻力，Sm为模型湿面积，Vm为模型速度。

需要特别注意的是人工气泡船的湿面积与折角船不同，不仅与吃水有关，还与气泡的生成长度有关，要扣除掉气泡覆盖的气层面积。

实船的剩余阻力系数与模型的相等，有

实船总阻力系数有模型-实船相关补贴系数ΔCF取0.000 4，有了总阻力系数，按下式计算实船总阻力RTS和有效功率PE：

对于气泡船，风机是生成气层的动力源，风机所耗功率约为船总功率的2%～3%，考虑到这个因素，故换算时气泡船实船有效功率在（5）式基础上乘以1.03。

4.2 实船耐波性运动预报

实船在长峰波中的运动能谱是用线性叠加的方法（假设船舶对于许多简谐波响应的和等于这些简谐波和的响应），根据下式求得[14]

其中：Sx（ωe）为船舶摇荡运动能谱；Wx（iωe）为船舶某种运动对规则波的频率响应函数，取自船模试验；Sζ（ωe）为遭遇频率的波能谱。

试验波浪谱我们选用ITTC双参数谱进行模拟，其波浪谱密度函数定义为：

其中：H1/3为三分之一有义波高（m），T1为特征周期（s），ω为波浪圆频率。

船舶航行时遭遇频率的波能谱为

其中ψ为船的航向与波浪传播方向之间的夹角。

由（6）、（7）式及（8）式即可确定实船在不规则海浪下的运动响应谱密度曲线。

短期海况视作均值为零的平稳正态随机过程，其幅值服从雷利分布，因此实船的运动响应谱幅值也服从雷利分布，则有以下一些统计特性：

0阶谱矩m0：

其中：σx为船舶运动响应（或运动速度、加速度）的方差[15]。

有了这个运动方差，就可以计算任一保证率的运动幅值。

运动的最大幅值：运动的有义幅值：

5 实船结果

运动的平均幅值：

根据静水试验结果，换算到实船，比较两船所需的有效功率，见图8。

图8 实船所需有效功率对比曲线Fig.8 Comparison of effective power between the two real ships

表3 实船不规则波结果Tab.3 Performance of the two real ships in irregular waves

由实船换算结果可以看出，在同一初始尾倾状态，人工气泡船与常规船进行比较有：

（1）当VS=22.6 kns（Fn▽=2.95）时，气泡船所需有效功率可减少24.8%，当实船有效功率同为50 kW时，航速能提高4.28kns，增幅达27.7%。

（2）气泡船在二级海浪中以17kns航速航行时阻力增加平均值明显小于常规折角船，气泡船波浪中总阻力比常规折角船的波浪中总阻力小25.4%；

（3）气泡船在波浪中纵摇角小于常规船；

（4）在二级波浪中升沉值气泡船大于常规船；

（5）在二级波浪中首部加速度和中部加速度气泡船与折角船相当，尾部加速度气泡船有明显优势，有义值降幅达39.1%。

6 结 论

通过这次较系统的模型试验，我们得到了以下结论：

（1）历来国内外文献中[7、16-21]普遍引用的关于气泡船的降阻原理为：在船底表面形成气泡腔，将船底与水隔离，减小摩擦阻力，从而船舶总阻力减少。从本文试验结果分析可见因摩擦阻力减小而引起的阻力减小量仅为16.0%，显然小于气泡船的减阻总效果。本文明确地指出了气腔内压力抬升了部分艇体，相当于减轻了船的重量，负荷系数的下降必然导致阻力减小。综合上述两个因素才是人工气泡船降阻的原因。

（2）气泡船在波浪中航行时，只要船底气泡腔不被破坏，则船底的气泡腔还相当于缓冲气垫，可减缓船舶在风浪中的运动，提高气泡船的适航性。

（3）从气泡船气流量与总阻力的关系可以找到一个气泡船的最小流量，即最经济的气流量。

（4）静水中气泡船与相同尺度、相同排水量的折角线船型相比较，总阻力可下降27%。

（5）波浪中气泡船与相同尺度、相同排水量的折角线船型相比较，总阻力也可下降25.4%。尾部加速度可下降39.1%，其他运动总体相当。

综合来看，人工气泡船在静水和波浪中的综合水动力性能均优于常规折角船。将气泡降阻技术运用到滑行艇上，可大大提高其运输经济性，人工大气泡降阻具有极大的推广意义。由于时间限制以上只是对一型人工大气泡船的部分性能进行了初探，为了深入研究人工大气泡船的综合性能，还有待后续开展更充分的试验研究和理论研究。

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