国内外船舶气泡减阻技术的研究与应用

胡以怀，李慧晶，何 浩

（上海海事大学 商船学院，上海 201306）

设计与研究

国内外船舶气泡减阻技术的研究与应用

胡以怀，李慧晶，何 浩

（上海海事大学 商船学院，上海 201306）

介绍国内外船舶气泡减阻技术的研究情况，包括微气泡减阻技术、气幕减阻技术及气膜减阻技术的试验研究和理论计算结果，特别是俄罗斯倾斜板气泡减阻技术、日本微气泡减阻技术和我国薄层气膜减阻技术的特点。同时，介绍国内外微气泡减阻理论方面的力学模型、数值计算方法和重要结论。回顾20世纪60年代以来气泡减阻技术在船舶上的应用情况，特别是俄罗斯、日本及丹麦等国设计的气泡减阻船舶的性能和节能效果。针对我国目前气泡减阻节能技术在实船上的应用现状，分析存在的问题和不足，探讨我国船舶气泡减阻技术的应用前景。

微气泡减阻；气膜减阻；气幕减阻；船舶节能

0 引 言

随着工业时代的到来，能源和环境问题日益突出，温室气体排放量日益增多，加快了全球温室效应的进程，船舶运输业正面临着前所未有的危机与挑战。当前，航运业以其独有的优势在全球贸易中发挥着举足轻重的作用，国际社会对其高能耗、重污染问题越来越关注。对此，国际海事组织（International MaritimeOrganization，IMO）制定船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）来规定船舶碳排放指标，并逐步推行。

气泡减阻技术可有效减小船舶阻力，这已在实船试验中得到很好的验证。俄罗斯、日本早先在气泡减阻理论领域所做的理论研究和实船测试奠定了其在军舰及民用船舶改进设计上的领先优势。此类技术在高速滑行艇和低速运输船上的应用带动了其新型气泡船的发展，给国际航运业带来不小的冲击。我国对气泡减阻理论的研究起步较晚，与西方国家（甚至是日本、韩国）的差距较大，但有很大的发展前景。目前船舶空气润滑减阻按机理的不同主要为3种技术形式：

1) 俄罗斯的倾斜板断级气泡减阻技术，主要适用于过渡型浅吃水高速艇；

2) 日本的微气泡减阻技术，利用风机，通过在船底开设的诸多小气孔向船底输送空气，从而形成不连续船底气泡层，实现气泡减阻；

3) 我国的薄层气膜减阻技术，利用风机向船底输送空气，通过船底设置的导流板装置形成有效的船底连续薄层空气膜。

1 研究现状

早在19世纪末，傅汝德就已提出通过向船底输送空气来将水与船体隔离，从而减小船舶阻力的设想。受制于当时有限的理论研究，直到20世纪60年代微气泡减阻技术才得以在民船上应用。目前该技术主要着眼于发展高速快艇、双体船，与其他高速船（如水翼船、气垫船）相比，高速气泡船具有结构简单、造价较低、离港方便和维护方便等优点。此类产品已率先在俄罗斯成型生产，日本也已在散货船、矿石运输船上对微气泡减阻装置的效果进行试验，可见国内外对气泡减阻技术较为重视。

1.1 国内外试验研究

1.1.1 国外主要研究

1975年，苏联学者Migiernk，Dunisehev和Bogdevieh等采用多孔不锈钢平板喷气的方法进行微气泡减阻试验，将微气泡引入到湍流边界层内，从而达到降阻效果。试验结果表明，喷气孔直径及气泡体积浓度对减阻率的影响很大。当喷气孔直径为1～3μm时，减阻率最高；而当喷气孔直径＞50μm时，气泡减阻几乎不起作用。理想的气泡直径在1～50μm，在距离壁面1/10边界层厚度处气泡体积浓度达到最大，此时增大气流通量，气泡减阻效果会随之提高，当喷气量在流域中达到饱和后，增大喷气量对减阻率没有影响。

20世纪80年代初，美国研究人员在封闭循环水洞中进行平板试验，对苏联的研究进行验证，试验最大喷气流量约为其6倍，试验结果基本与其一致，局部摩擦阻力最大可减小80%。试验结果表明：保持来流速度不变，增大单位喷气流量，减阻率明显提高，直至流域中气流量达到饱和；保持单位喷气流量不变，增大来流速度，减阻效果下降。在试验过程中发现，喷气孔直径与减阻率没有直接关系，在相同单位喷气流量和来流速度下，孔径为0.5μm与100μm的减阻效果没有区别。

20世纪90年代，日本广岛大学在空泡水筒内进行回转体微气泡减阻试验[1]，分别向2组试验模型注入微气泡，对比试验结果并观察分析。研究发现：随着喷气量的增加，安装整流帽的模型阻力由于摩擦阻力和模型后端的形状阻力的增大而相应增大；加入气泡覆盖部分的另一模型的阻力随来流速度和气泡量的增大而明显减少，气泡吹出部分对兴波阻力影响很小。由于模型被气泡覆盖，气泡容易在浮力的影响下脱离边界层，导致减阻率较低。

1.1.2 国内主要研究

国内也有不少学者对气泡减阻机理进行模型试验，得到一些研究成果。

1982年，上海船舶运输科学研究所的蔡金琦[2]研究出气膜定理，提出船舶薄层气膜减阻节能技术，研究设计出能有效形成船底连续薄层空气膜的船舶气膜减阻节能装置，获国家发明专利。在船模试验的基础上，在1000t非机动驳船上对该装置进行实船测试，实现减阻20.1%，节能15.2%[3]。根据35000t浅吃水船气膜减阻模型试验结果[3]，实现气膜减阻 22.8%，压载 31.6%。在纵倾状态和横倾状态下，船底气膜覆盖面减小，影响减阻效果；压载时气膜覆盖面相对增大，利于提高气膜减阻效果。船模试验和实船应用验证了在船上应用气膜减阻节能技术的可行性，可实现船舶减阻15%～30%。

武汉理工大学的王家嵋等[4-5]针对某平底型船模，在其底部的艏部和中部位置处安装多孔硅板以生成微气泡，分别进行不同拖曳速度、不同喷气量下喷气方式和船舶吃水对减阻率影响的对比性试验，试验数据是在测试5种拖曳速度和5种喷气量之后采集的。结果表明，在艏部和中部同时喷气的减阻效果要好于仅在艏部喷气的减阻效果；吃水较浅且Fr≤0.646时，2种喷气方式下的减阻率较高；纵倾角随Fr的提高而大幅增大，但受喷气量的影响不大。

海军工程大学的董文才等[6]就喷气方式变化对平板气膜减阻的影响进行试验研究，包括孔喷、缝喷、喷气流量、来流速度及横向断阶对平板阻力的影响。结果表明：无论采用哪种喷气方式，在喷气板后相当长的范围内，摩擦阻力可减少80%；当v≥2m/s时，增大气流量，摩擦阻力明显减小，同一气流量下减阻率随来流速度的增大而降低。孔径大小对减阻率的影响不大，过度减小供气面积会导致同一孔径和流量下的气压增大。当有横向断阶时，前后测力板处摩擦阻力急剧下降，这是由于断阶空穴的形成引起了回流，使得气膜减阻的效果增强。

1.2 微气泡减阻的理论分析

当前对微气泡减阻理论的研究仍处于探索阶段，在研究微气泡的减阻机理时，必须对气泡的产生过程有所了解，包括微气泡产生过程中各影响因素的作用及气泡进入到边界层中造成边界层流动方式发生改变，使流动由1相变为气、液2相。因此，微气泡群在边界层中的运输是以气泡与水的混合2相流进行的，对微气泡减阻机理的研究主要着眼于2相流动，通过流动交界面的相互作用（即气相与液相的相互作用力）来实现控制减阻效果的目标。

HARTMUT等[7]在研究微气泡减阻原理的过程中提出微气泡减阻的简化应力模型。在单相二维湍流中，剪切应力为

式(1)中：lμ为湍流黏性系数；lρ为水的密度；为雷诺应力。雷诺应力可通过梯度扩散近似得到，即

令τmix为微气泡射流剪切应力，τl,mix为微气泡与水混合后的湍流黏性系数，vl,mix为微气泡与水混合后的涡黏性系数，则τmix与不通气泡时的τ的比值为

混合介质的密度定义为

考虑到水和空气的密度差异，水汽混合物的密度可简化为

式(5)和式(6)中：α为空隙率；lρ，0ρ分别为水的密度和空气的密度。

对完全发展的湍流而言，湍流黏性系数要比运动黏性系数小几级，因此式(4)可进一步简化为

式(7)中：涡黏性系数与湍流黏性系数之比为103量级。

在对固体颗粒悬浮二相流的研究中，周明等[8]根据试验测量数据分析得到一个经验公式为

式(8)对液体中大范围分布的气泡扩散是成立的，故将其应用到式(7)中可得

式(9)中：第1项为黏性项；第2项为密度-湍流项。式(9)表明剪切力的减小主要依赖于空隙率α和湍流变换湍流在气泡密集的情况下发生变化与气泡聚集形成的混合媒介有关。为此，通常可对涡黏性系数vl取某个合适的数值来进行修正，特引入

式(10)中：αlim为气泡极限体积浓度，可取0.8。最终得到

式(11)的应用范围为0.3 ＜ α＜ 0.6。

MADAVAN等[9-10]采用混合长度模型对微气泡减阻进行数值计算。HARTMUT等[7]和MADAVAN等[9-10]认为，微气泡能改变气、液2相混合流的局部密度和黏度，从而改变Re数，微气泡的流动使得边界层的结构向湍流转变。随着气泡向边界层外扩散，有必要修改湍流模型，适应新的气、液2相混合流模型。由于处理方法不同，在对气泡体积浓度分布的认识上，HARTMUT等[7]和 MADAVAN等[9-10]持不同观点。HARTMUT等[7]认为近壁面处气泡体积浓度最大，并取边界层缓冲区中气泡的体积浓度为矩形分布；MADAVAN等[9-10]则认为近壁面和边界层外气泡的体积浓度为 0，假定缓冲区中体积浓度为梯形分布。在水与微气泡混合稳定的情况下，减阻效果十分明显，边界层中气泡的体积浓度和位置分布很大程度上决定减阻率的大小。只有当气泡处于缓冲区中时减阻效果最好，在黏性底层中的气泡无法起到减阻效果。

梁志勇[11]运用伪谱矩阵计算方法，从平板的上表面和下表面引入微气泡，对微气泡平板减阻进行数值计算，在考虑有无压力影响的情况下，研究来流速度和气泡体积浓度的大小对减阻的影响。计算结果表明：微气泡减阻与气泡浓度、气泡量、来流速度、气泡引入方式及平板位置等诸多因素有关。在来流速度不变的情况下，通过增大气泡体积浓度使气泡减阻效果得到提高。在气泡体积浓度不变的情况下，来流速度越大，减阻率越高，最高可达到82.21%。观察发现，微气泡的引入会在边界层产生一定的压力梯度，且气泡引入方式不同也会影响减阻效果。当喷射量一定时，三角形分布的减阻效果要比梯形分布好，相反倒三角分布的减阻效果不佳。

2 实船应用

20世纪80～90年代，气泡减阻技术得到迅猛发展，高速气泡船先后在美国、俄罗斯试航成功。在速度方面，20世纪60～80年代相继建造出航速达40～60kn的气垫船、水翼艇，之后又建造出航速＞100kn的地效翼艇。虽然相关产品已日趋成熟，但因建造工艺复杂、开发成本和日常维护费用高，难以推广。我国和日本也相继对安装有气泡减阻装置的低速平底船进行改进，多次实船测试已证明气泡船在民用市场上的价值，但这难以掩盖目前对气泡船的应用仍处于初级阶段的事实。

据报道，俄克雷洛夫研究院早在1965年就已对气泡减阻技术进行应用研究，该机构先后完成30多个气泡减阻船型的设计方案，排水量为14～360t。据不完全统计，已有超过70艘气泡船投入运营[12]，涉及的船型主要有客运船、散货船、巡逻艇、登陆艇、高速双体船及多体船等（见表1），这其中就包括为海军研制的“赛加羚羊”号和“鹅喉羚”号小型气泡登陆舰。1993年，俄罗斯建成世界上第一艘气泡内河船“琳达”号，其排水量为24.6t，最多容纳70人，设计航速为29.5kn，航行里程可达400km。船模试验结果表明，采用气泡减阻技术可使高速滑行艇提速10%左右，大多数滑行艇降阻15%～20%，而压缩机功率消耗不到主机功率的3%[13]。

表1 苏联和俄罗斯所建气泡船

2009年，鹿特丹海军工程企业DK集团成功开发出气腔系统（ACS）技术，并为丹麦船东Dannebrog集团12580DWT的多用途货船安装了该系统。这是该公司的空气润滑技术在国际商船上的首次应用，很好地践行了船舶低碳环保的设计理念。ACS由气腔、控制系统和喷气系统等3部分组成（见图1）。通过安装在船底的气腔减小船底与水的接触面积，使船在水面“滑翔”，减小船舶摩擦阻力，从而达到降低燃油消耗、控制CO2排放量的目的。受船型、主尺度和吨位的影响，油耗节省率保守估计在10%左右，投资回报期为1～2a，届时ACS设备的投资回报率可达7%～10%。

据报道，大岛造船厂和日本邮船公司联合开发的搭载“主机旁通管空气润滑系统”的煤炭运输船“双洋”号于2012年7月27日正式竣工。该船配有最新的“空气润滑系统”，借助气泡减小摩擦阻力，可削减 4%～8%的 CO2排放量。同时，该船设有“扫气旁路”，不必在甲板上安装鼓风机，不受载重增大导致吃水增加的影响，依靠扫气余量投入到空气润滑中，从主机增压器输出部分燃烧空气引导至船底，通过减小船体摩擦阻力提高发动机效率。该船在随后的试航中顺利通过信赖度确认和性能评价，证明了“空气润滑系统”的可靠性和高效性。

对于普通货船、大型油船及集装箱船等运输船而言，在应用船舶气膜减阻节能技术时，可有效形成船底连续薄层空气膜，且仅需在船底开设1个或多个船底孔，风机消耗的功率约为主机功率的3%，可实现船舶节能 15%左右。该气膜减阻系统较为简单，且适合在旧船上加装，利用船舶坞修期1～2d即可安装完成，从而向船底输送空气，通过安装的导流板装置有效形成船底连续薄层空气膜，但旧船的减阻节能效果取决于其实施条件。

3 结 语

在我国，船舶气泡减阻技术尚未得到广泛应用，大部分研究还处于模型试验阶段。因此，应尽快落实相关理论研究和实践成果，大力开展应用技术的推广，在借鉴国外研究成果的同时，注意以下几个方面：

1) 当高速滑行船以一定速度航行时，船首底部水流产生的抬升力连同螺旋桨对船尾后部产生的负压区会导致船体出现艉倾。在该航行状态下，船首底板不断受到水流的冲击，将附近的空气卷入到水中，并迅速随水流向船底后方流去。这些随水进入船底的气泡将很快向上浮动并扩散，产生一定的“气膜效应”。随着航速进一步提高，航行阻力的减小放缓，不妨将该阶段称为“亚气膜航行状态”，高速快艇气泡船大多通过在船底开槽来达到增强“亚气膜效应”的目的。这正是该类船舶能在高速航行状态下节能的原因，减阻率在相同喷气压力下基本上是随速度的增大而提高的。但是，高速滑行的均系小艇，其滑行状态与傅汝德数有关，当船艇处于滑行状态时，艏部存在升力的同时也存在一个阻力分量，船艇的摩擦阻力为总阻力的 20%～30%，因此空气减阻实际效果受到影响。由于船艇主机功率小，节能效果和低碳社会效益低于大功率的运输船。

2) 与高速滑行艇相比，低速运输船往往具有较深的吃水和肥大的船体型线，采用球鼻艏可改善其适航性和耐波性。船舶在低速航行时，形状阻力有所下降；在提高航速时，肥大的船首会使航行阻力成倍增长。同时，船舶在低速航行时气泡有效覆盖面积较小，部分气泡来不及覆盖船底便已逃逸，因此很难在船底形成气膜。此外，随着船舶吃水的增加，减阻效果大打折扣，较小的喷气流量使得减阻效果并不明显，这也是低速运输船在运用气膜减阻技术时所面临的一大难题。

3) 气泡扩散进入螺旋桨，即混有气体的水流进入螺旋桨的功能区，会严重干扰螺旋桨的功能，加快螺旋桨的剥蚀，给螺旋桨结构带来损害，使船舶推进效率降低。因为许多船舶的螺旋桨是安装在船尾底板龙骨线之上的，发动机座和艉轴大致与龙骨线平行。出于螺旋桨推力与船体型线配合考虑，其结构一般都水平安装，这会减小轴系振动给设备带来的磨损。高速滑行船为尽量减少“亚气膜”对螺旋桨的干扰，通常会将螺旋桨安装在船尾后方较远的位置，将机座向后倾斜来满足要求，并选用可在稍倾斜条件下使用的发动机。因此，船舶在应用微气泡减阻技术和船舶气膜减阻节能技术时都需处理好船底空气对螺旋桨的影响，需依赖船模试验研究实现科学合理的设计。

因此，船舶气泡减阻技术的应用应针对不同船（艇）型，就喷气形式、位置、喷孔大小及喷气流量对减阻效果的影响，就气膜（幕）对船体的稳定性和耐波性影响及导流装置的使用进行一些优化设计，制订出经济、合理的气泡减阻方案。

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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

胡以怀，男，教授，博士，1964年生。1986年毕业于武汉理工大学，1993年获得博士学位，现从事船舶动力装置故障诊断、系统仿真及船舶新能源利用的教学和研究工作。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.001