船底和船侧充气减阻研究

2020-03-10毛亮，伍锐，刘恒，季盛

上海船舶运输科学研究所学报 2020年4期

毛亮，伍锐，刘恒，季盛

(1.海装上海局驻上海地区第二军事代表室，上海 200129； 2.上海船舶运输科学研究所 a.航运技术与安全国家重点实验室； b.航运技术交通行业重点实验室，上海 200135)

0 引言

随着航运业的快速发展和国家节能减排政策的提出，船舶能效问题受到越来越多人的关注。船舶阻力是影响船舶能耗的主要因素之一，因此如何减小船舶阻力是一个热点问题。弗劳德于1876年提出采用一层空气薄膜将船体与水隔开的方法减小船舶阻力，即气膜减阻技术，其原理是向船舶表面通入空气,形成一层薄的气-液两相混合流，通过改变混合流的密度、黏度和流动模式减小船舶的阻力。

TOKUNAGA[1]以平板为试验对象，发现充气之后其摩擦阻力可减小50%～80%。BOGDEVICH等[2]研究发现，气膜层较稳定处的气膜减阻系数最佳，沿水流方向，气膜层的不稳定性逐渐增强，减阻系数随之减小。FUKUDA等[3]采用高排水性材料和气膜减阻技术对平板和2种船型进行试验研究，结果发现，当水速为4 m/s时，减阻系数达到80%，且随着水速的增加，减阻系数逐渐减小。KAWAMURA等[4]探讨了充气气泡大小对减阻系数的影响，试验结果表明，直径为10 μm量级的微气泡具有较佳的减阻性能。SHEN等[5]通过向边界层内充入微气泡发现，盐水和淡水对减阻系数没有影响。SANDERS等[6]在LCC(Large Cavitation Channel)循环水槽内以12 m长的平板为研究对象进行试验，雷诺数最高为2.1×108，结果发现，在低流速和高充气量工况下，受浮力的作用，气泡在平板表面结合形成稳定的气幕，减阻系数可达100%。蔡金琦[7]探讨了在民船上应用气膜减阻技术的可行性。伍锐等[8]对不同水速和充气流量下的平板表面摩擦阻力进行了试验分析，给出了表征水速、充气量和充气孔大小的综合无量纲系数，当水速一定、充气量足够大时，该无量纲系数趋于定值。

实施气膜减阻的最终目的是尽可能地减小阻力，上述研究提供了2种思路：一种是形成完整的气膜，但控制微气泡的技术难度较高，不易实现；另一种是运用新材料，但成本较高，不利于相关技术的应用。平板气膜减阻只考虑对船舶摩擦阻力的影响，未将充气之后对船舶压差阻力的影响考虑在内。本文主要研究船舶表面充气方式对船舶总阻力的影响，在船侧和船底布置充气导管，增加充气湿表面积，探究船侧充气、船底充气和船侧与船底同时充气之后船舶总阻力和气膜减阻系数的变化。

1 试验物理模型和设备

1.1 充气减阻试验平台

传统的底部平板充气减阻没有考虑充气之后气泡对压差阻力的影响，因此本文在制订试验方案时着重考虑物理模型总阻力的测量。为定量研究充气减阻系数，精确测量模型总阻力，设计研发一套阻力测量平台，其总体布置见图1。小比例船模由全木质材料加工而成，表面刷有原子灰和油漆，以防止木质材料浸水膨胀;模型总长520 mm，宽250 mm，前后过渡段厚51.6 mm，平行中段厚48.6 mm。为方便比较船侧充气、船底充气和船侧与船底同时充气的充气减阻系数，在制作模型时使船侧的湿表面积与船底的湿表面积相同，因此将平行中段两侧加工成半径为48.6 mm的半圆，两侧展长与平行中段底部相同，均为152.8 mm，详见图1中的A-A断面。2排充气导管位于平行中段前端，分别控制船侧充气和船底充气，其中：第一排充气导管位于平行中段底部，布置16个充气孔；第二排充气导管位于平行中段两侧，两侧均布置8个充气孔。气孔直径为1 mm，两气孔的间距为10 mm。

a) 阻力测量平台示意

b) 测力坐标系

c) 船模后视图

d) 船模实物图

试验采用中国航天空气动力技术研究院研制的五分力天平测量模型的总阻力。测力坐标系如图1b所示，其中：水流方向为y轴正方向；垂直水流方向为x轴方向。天平设计量程和精度为：阻力(y)±800 N，绝对误差0.029 N，相对误差0.004%；升力(x)±160 N，绝对误差0.111 N，相对误差0.07%。

1.2 供气系统

供气系统示意见图2，供气时首先通过空气压缩机将空气输入贮气筒。采用美国Alicat Scientific公司制造的MC-250SLPM-D型质量流量计和MC-1000SLPM-D型质量流量计控制充气流量。电磁阀为充气开关，仅让气流单向通过，防止空泡水筒中的水回流损坏流量计。

图2 供气系统示意

1.3 试验过程

为探究不同水速、充气流量和充气位置对物理模型阻力的影响，试验流速范围取3～6 m/s，充气流量范围取12.5～125.0 L/min。在相同流速和充气量下分别进行船底充气、船侧充气和船底与船侧同时充气试验(见图3～图5)，以确定模型减阻系数是否受充气位置的影响。船底充气的充气量为Q1，船侧充气的充气量为Q2。当空泡水洞内的水流速度到达要求值时，打开电磁阀，并按设定好的气量充气，同步记录流量值和由天平测得的模型阻力。

图3 船底充气

图4 船侧充气

图5 船底与船侧同时充气

定义无量纲空气流量系数CQ和充气减阻系数CE为

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Q为通气流量；d为通气圆孔直径，取d=0.001 m；SG为通气圆孔总面积；νa为空气运动黏滞系数，取νa=1.48×10-5m2/s；fn为未充气时模型总阻力；fa为充气之后模型总阻力。

2 试验结果

针对58种工况分别进行测力试验，结果见表1,其中：减阻系数越大表示充气之后减阻效果越好；当减阻系数为正值时，表示充气之后模型的总阻力减小，反之增大。

表1 充气减阻试验结果

图6为船底充气时减阻系数变化趋势。由图6可知：当水速为3 m/s时，减阻系数随充气量的增加而增大，最后趋于定值，约为26%；当水速为4 m/s时，减阻系数同样随充气量的增加而增大，但当充气量相同时，减阻系数明显小于3 m/s；当水速更高时，5 m/s和6 m/s水速对应的减阻系数呈现出相同的变化趋势，即先略微增大，再随充气量的增加而减小，甚至使总阻力比没有充气时更大。出现这种现象的主要原因是当流速较大时，模型尾部流速梯度较大，气泡易被水流带进船尾，大量气泡聚集在一起使模型尾部如处在空气中，此时其压差阻力骤增，即使模型表面形成气膜层，摩擦阻力减小，因压差阻力的增大量大于摩擦阻力的减小量，模型总阻力反而增大。

图6 船底充气时减阻系数变化趋势

图7为船侧充气时减阻系数变化趋势。由图7可知：当水速为3 m/s和4 m/s时，减阻系数均随充气量的增加而增大；当水速为5 m/s和6 m/s时，减阻系数呈现出相同的变化趋势，随着充气量的增加，减阻系数先增大后减小，当空气流量系数为6.72×103时，减阻系数达到最大值，分别约为9.0%和3.7%；当充气量一定时，随着水速的升高，减阻系数会减小。

图7 船侧充气时减阻系数变化趋势

图8为船侧与船底同时充气时减阻系数变化趋势。由图8可知：当水速为3 m/s和4 m/s时，减阻系数均随充气量的增加而增大；当水速为5 m/s时，减阻系数随充气量的增加先增大后减小，当空气流量系数为4.48×103时，减阻系数达到最大值，约为1.6%，随着充气量的增加，减阻系数出现负值；当水速为6 m/s时，减阻系数先随着充气量的增加略微增大，到达一定数值之后骤降，模型总阻力增大；当充气量一定时，随着水速的升高，减阻系数减小。

图8 船侧与船底同时充气时减阻系数变化趋势

由单独船底充气和单独船侧充气试验结果可知：当水速为3 m/s时，船底充气之后的减阻系数明显大于船侧充气之后的减阻系数；当水速为4 m/s时，两者的减阻系数相当。随着水速的提升，船侧充气与船底充气的减阻系数呈现出相同的变化趋势，即先增大后减小。这主要是因为在相同充气流量下，流速高时船侧气泡不易随水流进入船尾，此时摩擦阻力减小，压差阻力虽然增大，但摩擦阻力的减小量大于压差阻力的增大量，船侧充气之后物理模型的总阻力依然减小，减阻效果明显。

当水速为3 m/s时，船底与船侧同时充气之后的减阻系数小于仅船底充气之后的减阻系数；当水速为4 m/s时，船底充气、船侧充气和船底与船侧同时充气三者的减阻系数相当；当水速为5 m/s和6 m/s时，船底与船侧同时充气之后的减阻系数小于仅船侧充气之后的减阻系数。船底与船侧同时充气之后模型的减阻量不等于仅船底充气与仅船侧充气之后物理模型的减阻量之和，船底与船侧同时大量充气不仅会有更多的充气量，而且减阻效果不一定最好。