船底和船側(cè)充氣減阻研究

毛 亮，伍 銳，劉 恒，季 盛

(1.海裝上海局駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200129； 2.上海船舶運輸科學(xué)研究所 a.航運技術(shù)與安全國家重點實驗室； b.航運技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

隨著航運業(yè)的快速發(fā)展和國家節(jié)能減排政策的提出，船舶能效問題受到越來越多人的關(guān)注。船舶阻力是影響船舶能耗的主要因素之一，因此如何減小船舶阻力是一個熱點問題。弗勞德于1876年提出采用一層空氣薄膜將船體與水隔開的方法減小船舶阻力，即氣膜減阻技術(shù)，其原理是向船舶表面通入空氣,形成一層薄的氣-液兩相混合流，通過改變混合流的密度、黏度和流動模式減小船舶的阻力。

TOKUNAGA[1]以平板為試驗對象，發(fā)現(xiàn)充氣之后其摩擦阻力可減小50%～80%。BOGDEVICH等[2]研究發(fā)現(xiàn)，氣膜層較穩(wěn)定處的氣膜減阻系數(shù)最佳，沿水流方向，氣膜層的不穩(wěn)定性逐漸增強，減阻系數(shù)隨之減小。FUKUDA等[3]采用高排水性材料和氣膜減阻技術(shù)對平板和2種船型進(jìn)行試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水速為4 m/s時，減阻系數(shù)達(dá)到80%，且隨著水速的增加，減阻系數(shù)逐漸減小。KAWAMURA等[4]探討了充氣氣泡大小對減阻系數(shù)的影響，試驗結(jié)果表明，直徑為10 μm量級的微氣泡具有較佳的減阻性能。SHEN等[5]通過向邊界層內(nèi)充入微氣泡發(fā)現(xiàn)，鹽水和淡水對減阻系數(shù)沒有影響。SANDERS等[6]在LCC(Large Cavitation Channel)循環(huán)水槽內(nèi)以12 m長的平板為研究對象進(jìn)行試驗，雷諾數(shù)最高為2.1×108，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低流速和高充氣量工況下，受浮力的作用，氣泡在平板表面結(jié)合形成穩(wěn)定的氣幕，減阻系數(shù)可達(dá)100%。蔡金琦[7]探討了在民船上應(yīng)用氣膜減阻技術(shù)的可行性。伍銳等[8]對不同水速和充氣流量下的平板表面摩擦阻力進(jìn)行了試驗分析，給出了表征水速、充氣量和充氣孔大小的綜合無量綱系數(shù)，當(dāng)水速一定、充氣量足夠大時，該無量綱系數(shù)趨于定值。

實施氣膜減阻的最終目的是盡可能地減小阻力，上述研究提供了2種思路：一種是形成完整的氣膜，但控制微氣泡的技術(shù)難度較高，不易實現(xiàn)；另一種是運用新材料，但成本較高，不利于相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。平板氣膜減阻只考慮對船舶摩擦阻力的影響，未將充氣之后對船舶壓差阻力的影響考慮在內(nèi)。本文主要研究船舶表面充氣方式對船舶總阻力的影響，在船側(cè)和船底布置充氣導(dǎo)管，增加充氣濕表面積，探究船側(cè)充氣、船底充氣和船側(cè)與船底同時充氣之后船舶總阻力和氣膜減阻系數(shù)的變化。

1 試驗物理模型和設(shè)備

1.1 充氣減阻試驗平臺

傳統(tǒng)的底部平板充氣減阻沒有考慮充氣之后氣泡對壓差阻力的影響，因此本文在制訂試驗方案時著重考慮物理模型總阻力的測量。為定量研究充氣減阻系數(shù)，精確測量模型總阻力，設(shè)計研發(fā)一套阻力測量平臺，其總體布置見圖1。小比例船模由全木質(zhì)材料加工而成，表面刷有原子灰和油漆，以防止木質(zhì)材料浸水膨脹;模型總長520 mm，寬250 mm，前后過渡段厚51.6 mm，平行中段厚48.6 mm。為方便比較船側(cè)充氣、船底充氣和船側(cè)與船底同時充氣的充氣減阻系數(shù)，在制作模型時使船側(cè)的濕表面積與船底的濕表面積相同，因此將平行中段兩側(cè)加工成半徑為48.6 mm的半圓，兩側(cè)展長與平行中段底部相同，均為152.8 mm，詳見圖1中的A-A斷面。2排充氣導(dǎo)管位于平行中段前端，分別控制船側(cè)充氣和船底充氣，其中：第一排充氣導(dǎo)管位于平行中段底部，布置16個充氣孔；第二排充氣導(dǎo)管位于平行中段兩側(cè)，兩側(cè)均布置8個充氣孔。氣孔直徑為1 mm，兩氣孔的間距為10 mm。

a) 阻力測量平臺示意

b) 測力坐標(biāo)系

c) 船模后視圖

d) 船模實物圖

試驗采用中國航天空氣動力技術(shù)研究院研制的五分力天平測量模型的總阻力。測力坐標(biāo)系如圖1b所示，其中：水流方向為y軸正方向；垂直水流方向為x軸方向。天平設(shè)計量程和精度為：阻力(y)±800 N，絕對誤差0.029 N，相對誤差0.004%；升力(x)±160 N，絕對誤差0.111 N，相對誤差0.07%。

1.2 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)示意見圖2，供氣時首先通過空氣壓縮機(jī)將空氣輸入貯氣筒。采用美國Alicat Scientific公司制造的MC-250SLPM-D型質(zhì)量流量計和MC-1000SLPM-D型質(zhì)量流量計控制充氣流量。電磁閥為充氣開關(guān)，僅讓氣流單向通過，防止空泡水筒中的水回流損壞流量計。

圖2 供氣系統(tǒng)示意

1.3 試驗過程

為探究不同水速、充氣流量和充氣位置對物理模型阻力的影響，試驗流速范圍取3～6 m/s，充氣流量范圍取12.5～125.0 L/min。在相同流速和充氣量下分別進(jìn)行船底充氣、船側(cè)充氣和船底與船側(cè)同時充氣試驗(見圖3～圖5)，以確定模型減阻系數(shù)是否受充氣位置的影響。船底充氣的充氣量為Q1，船側(cè)充氣的充氣量為Q2。當(dāng)空泡水洞內(nèi)的水流速度到達(dá)要求值時，打開電磁閥，并按設(shè)定好的氣量充氣，同步記錄流量值和由天平測得的模型阻力。

圖3 船底充氣

圖4 船側(cè)充氣

圖5 船底與船側(cè)同時充氣

定義無量綱空氣流量系數(shù)CQ和充氣減阻系數(shù)CE為

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Q為通氣流量；d為通氣圓孔直徑，取d=0.001 m；SG為通氣圓孔總面積；νa為空氣運動黏滯系數(shù)，取νa=1.48×10-5m2/s；fn為未充氣時模型總阻力；fa為充氣之后模型總阻力。

2 試驗結(jié)果

針對58種工況分別進(jìn)行測力試驗，結(jié)果見表1,其中：減阻系數(shù)越大表示充氣之后減阻效果越好；當(dāng)減阻系數(shù)為正值時，表示充氣之后模型的總阻力減小，反之增大。

表1 充氣減阻試驗結(jié)果

圖6為船底充氣時減阻系數(shù)變化趨勢。由圖6可知：當(dāng)水速為3 m/s時，減阻系數(shù)隨充氣量的增加而增大，最后趨于定值，約為26%；當(dāng)水速為4 m/s時，減阻系數(shù)同樣隨充氣量的增加而增大，但當(dāng)充氣量相同時，減阻系數(shù)明顯小于3 m/s；當(dāng)水速更高時，5 m/s和6 m/s水速對應(yīng)的減阻系數(shù)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即先略微增大，再隨充氣量的增加而減小，甚至使總阻力比沒有充氣時更大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)流速較大時，模型尾部流速梯度較大，氣泡易被水流帶進(jìn)船尾，大量氣泡聚集在一起使模型尾部如處在空氣中，此時其壓差阻力驟增，即使模型表面形成氣膜層，摩擦阻力減小，因壓差阻力的增大量大于摩擦阻力的減小量，模型總阻力反而增大。

圖6 船底充氣時減阻系數(shù)變化趨勢

圖7為船側(cè)充氣時減阻系數(shù)變化趨勢。由圖7可知：當(dāng)水速為3 m/s和4 m/s時，減阻系數(shù)均隨充氣量的增加而增大；當(dāng)水速為5 m/s和6 m/s時，減阻系數(shù)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，隨著充氣量的增加，減阻系數(shù)先增大后減小，當(dāng)空氣流量系數(shù)為6.72×103時，減阻系數(shù)達(dá)到最大值，分別約為9.0%和3.7%；當(dāng)充氣量一定時，隨著水速的升高，減阻系數(shù)會減小。

圖7 船側(cè)充氣時減阻系數(shù)變化趨勢

圖8為船側(cè)與船底同時充氣時減阻系數(shù)變化趨勢。由圖8可知：當(dāng)水速為3 m/s和4 m/s時，減阻系數(shù)均隨充氣量的增加而增大；當(dāng)水速為5 m/s時，減阻系數(shù)隨充氣量的增加先增大后減小，當(dāng)空氣流量系數(shù)為4.48×103時，減阻系數(shù)達(dá)到最大值，約為1.6%，隨著充氣量的增加，減阻系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值；當(dāng)水速為6 m/s時，減阻系數(shù)先隨著充氣量的增加略微增大，到達(dá)一定數(shù)值之后驟降，模型總阻力增大；當(dāng)充氣量一定時，隨著水速的升高，減阻系數(shù)減小。

圖8 船側(cè)與船底同時充氣時減阻系數(shù)變化趨勢

由單獨船底充氣和單獨船側(cè)充氣試驗結(jié)果可知：當(dāng)水速為3 m/s時，船底充氣之后的減阻系數(shù)明顯大于船側(cè)充氣之后的減阻系數(shù)；當(dāng)水速為4 m/s時，兩者的減阻系數(shù)相當(dāng)。隨著水速的提升，船側(cè)充氣與船底充氣的減阻系數(shù)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，即先增大后減小。這主要是因為在相同充氣流量下，流速高時船側(cè)氣泡不易隨水流進(jìn)入船尾，此時摩擦阻力減小，壓差阻力雖然增大，但摩擦阻力的減小量大于壓差阻力的增大量，船側(cè)充氣之后物理模型的總阻力依然減小，減阻效果明顯。

當(dāng)水速為3 m/s時，船底與船側(cè)同時充氣之后的減阻系數(shù)小于僅船底充氣之后的減阻系數(shù)；當(dāng)水速為4 m/s時，船底充氣、船側(cè)充氣和船底與船側(cè)同時充氣三者的減阻系數(shù)相當(dāng)；當(dāng)水速為5 m/s和6 m/s時，船底與船側(cè)同時充氣之后的減阻系數(shù)小于僅船側(cè)充氣之后的減阻系數(shù)。船底與船側(cè)同時充氣之后模型的減阻量不等于僅船底充氣與僅船側(cè)充氣之后物理模型的減阻量之和，船底與船側(cè)同時大量充氣不僅會有更多的充氣量，而且減阻效果不一定最好。

3 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了船底和船側(cè)充氣減阻試驗平臺及試驗過程，對試驗結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要得到以下結(jié)論：

1) 當(dāng)水速小于等于4 m/s時，船底充氣、船側(cè)充氣和船底與船側(cè)同時充氣之后的減阻系數(shù)均隨著充氣量的增加而增大。當(dāng)水速為3 m/s時，船底充氣的減阻效果最好；當(dāng)水速為4 m/s時，三者的減阻效果相當(dāng)。

2) 當(dāng)水速大于4 m/s時，船底充氣、船側(cè)充氣和船底與船側(cè)同時充氣之后的減阻系數(shù)均隨著充氣量的增加先增大后減小，存在充氣流量系數(shù)拐點，在該點減阻系數(shù)達(dá)到最大值。僅船側(cè)充氣時，其減阻效果最佳。

3) 船底與船側(cè)同時充氣之后模型的總阻力減阻量不等于船側(cè)充氣之后物理模型的總阻力減阻量與船底充氣之后物理模型的總阻力減阻量之和，船底與船側(cè)同時大量充氣不僅會消耗更多的氣量，而且減阻效果不一定最好。