大型船舶在限制性航道航行时的航行阻力及减阻对策

朱广春 艾万政

【关键词】 大型船舶;航道;船舶阻力;节能减排;减阻

0 引 言

船舶节能减排已成为世界航运界关注和研究的重要课题，其不仅与船舶营运经济效益直接相关，也是保护海洋环境和防止环境污染的重要举措，符合我国节约资源的基本国策。随着IMO“2020限硫令”的实施，为满足IMO要求，多数航运企业选择了让所属船舶使用价格较高的低硫燃料油，增加了船舶营运成本。加之新冠疫情对全球经济的冲击，航运界越来越重视船舶节能减排技术。减小船舶航行阻力是最直接有效的节能减排措施。目前针对船舶在开阔水域航行的减阻技术的研究有：刘畅等[1]提出了球鼻艏线型优化的减阻方法;欧勇鹏等[2]提出了船舶气层减阻方法;周朝英等[3]提出了球头体逆向喷流减阻方法;朱鹏飞等[4]针对营运船舶提出了纵倾优化的减阻方法。针对船舶航行在开阔水域中的减阻技术研究较为丰富，对于船舶航行在限制性航道中的减阻方法却鲜有研究。当船舶在限制性航道中航行时，由于受到浅水效应和岸壁效应的影响，其水动力性能会发生较大变化，从而消耗更多的燃料，尤其是本身就具有较大阻力的大型船舶，因此有必要对大型船舶在限制性航道航行时的阻力特性和减阻方法进行研究。

1 船舶航行阻力

1.1 阻力构成

当船舶航行时，由于船体同时运动于空气与水两种流体介质中，会同时受到两种流体介质对其作用的阻力。为了便于研究，船舶阻力按流体介质種类分为空气阻力和水阻力，两者之和为总阻力。由于水阻力占船舶总阻力的绝大部分，因此研究多集中于水阻力。根据海况，水阻力分为船舶在静水中航行时的静水阻力和波浪中的阻力（亦称汹涛阻力）增值。根据裸船体与轴支架、舵、舭龙骨等附体所受的水阻力研究方法的不同，将船舶阻力分为裸船体在静水中的裸体阻力和其他部分组成的附加阻力。考虑到航行环境条件，船舶在深水航行时所受的阻力与在浅水域和狭水道等限制性水域中航行时所受的阻力又有不同。船舶在航行中的阻力见图1。

船舶总阻力与种各阻力之间的关系见图2。从弗劳德观点分类看，船舶总阻力由摩擦阻力和剩余阻力组成;从力的分类看，船舶总阻力是由作用于船舶表面上水的切向力和法向力组成的，即摩擦阻力和压阻力，水的切向力沿船体表面积分所得在运动方向上的分量为摩擦阻力，水的法向力沿船舶表面积分所得在运动方向上的分量为压阻力;从能量耗散分类看，船舶总阻力由兴波阻力和黏性阻力组成，这两部分力导致尾流能量和波形能量的耗损。

虽然各阻力都是来自于流体的作用力，但其成因是不相同的。摩擦阻力是由于流体具有黏性而引起的，当船舶在水中航行时，由于水的黏性船舶周围会形成“边界层”，其表面受到水的切应力作用产生摩擦力，摩擦力在运动方向上的合力就是摩擦阻力。压阻力是由于船舶在水中航行时表面的压力分布发生变化导致的。压力分布变化的原因主要有两方面：（1）由于水具有黏性，其不仅会使运动中的船舶因艏部压力增大、艉部压力降低形成压力差而产生阻力，还会使船舶曲度骤变，尤其是艉部会产生旋涡，旋涡处压力降低，从而改变船舶表面的压力分布。这种由于水的黏性导致船舶产生阻力的力称为黏压阻力。（2）由于船舶航行于空气和水两种介质中，会有自由表面的存在，船体在航行中会兴起波浪，这种兴波会导致船体表面压力发生变化，即艏部压力增大而艉部压力降低，从而形成阻力。这种因兴起波浪所产生的阻力称为兴波阻力。从能量的观点看，这两种阻力是由于产生旋涡和兴波耗能所形成的阻力。黏压阻力只有在有黏性的流体中才会产生，而兴波阻力在理想流体中也会产生，因此通常会将因水的黏性而产生的黏压阻力和摩擦阻力合并称为黏性阻力，将除摩擦阻力外的其他阻力统称为剩余阻力。

1.3 航道的影响

由于受到航道水深和航道宽度的限制，船舶在航道中航行时其水动力性能会发生很大的变化，船体所受的黏性阻力和兴波阻力与在开阔水域航行时有很大不同。限制性航道一般水深较浅，船底与河底之间的流速会明显增加，同时一部分水会被排向船体两侧，船侧流速也会增加，从而使得黏性阻力增加（见图3）。

2.1 降低船舶表面粗糙度

大型船舶因长时间在海洋中航行，其表面不仅会因腐蚀变得粗糙，也会因贝类、藤壶和藻类等生物附着船体而污底。船舶出现污底，表明船舶表面粗糙度增加，这会直接影响船舶的摩擦阻力，船舶粗糙度越高，船舶摩擦阻力越大。尤其是当船舶在限制性航道中航行时，受浅水效应的影响，船舶周围流速增加，摩擦阻力会进一步增加。对船舶进行污底清理是降低船舶表面粗糙度的最简单的方法。航运企业可以通过分析航行数据，定期对船舶进行污底清洗或修理，以防止因污底而增加船舶摩擦阻力。

2.2 采用合理航速

很多航运企业为减少船舶的能源消耗，会指导航行中的船舶采用经济航速以减少航行中的阻力。由于水速度易于实时监测和控制，并且摩擦阻力和压阻力都与速度的平方成正比，因此采用经济航速这种减阻方式对于在航船舶非常易于实现，可以有效减少船舶阻力。当船舶在航道中航行时，受到水深的限制和浅水效应的影响，船速对船舶阻力的影响更为明显，不仅会因船舶周围速度的增加而使得摩擦阻力和黏压阻力增加，也会因兴波波形的改变，使得兴波更为剧烈，兴波阻力增加。在水深一定的情况下，水深弗劳德数随船速的增加而增加，当水深傅汝德数增加至临界区时，兴波剧烈，兴波阻力明显增加，尤其是对于在航道中的大型船舶，其兴波阻力占总阻力的80%以上。因此，为有效减小船舶在航道中的阻力，在保证船舶安全和高效航行的条件下，应选择合适的船速航行，尽量避免其水深傅汝德数达到临界区。

2.3 采用纵倾优化技术

纵倾优化是指船舶在不改变航速、载质量和船体结构的情况下，仅依靠调节船舶的纵倾达到减少阻力的目的。这种方法对于大型船舶效果尤为明显。根据大量试验结果和应用实践，在每一航速下都会存在一个最佳纵倾值使船舶阻力最小。當船舶航行在航道中时，兴波阻力占比较高，阻力值较大，通过调节船舶纵倾，可以改变船首和船尾的入水角度，改变兴波参数，从而影响兴波阻力。为避免因浅水效应产生的船舶下沉，在保证有足够的富余水深的前提下，船舶在航道中航行时可以采用纵倾优化技术。

3 结 语

笔者探讨了大型船舶在限制性航道中航行时的减阻问题，在分析船舶在限制性航道航行时的阻力成因和特性的基础上，结合营运船舶易于实现的减阻技术，对大型船舶在限制性航道航行时如何减阻提出建议。

参考文献：

[1] 刘畅，谢家荣，林慰. 基于CFD方法的球鼻艏减阻优化研究[J]. 广东造船，2016（1）：37-39.

[2] 欧勇鹏，吴浩，董文才. 船舶气层减阻节能技术应用研究进展[J]. 中国水运，2015（9）：28-30.

[3] 周超英，纪文英，张兴伟等. 球头体逆向喷流减阻的数值模拟研究[J]. 工程力学，2013（1）：441-447.

[4] 朱鹏飞，艾万政，张亮. 船舶纵倾优化节能策略[J]. 水运管理，2019（3）：26-28.