氣體潤滑減阻的自主節能船探究范文

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摘要:船舶運輸是國際貿易采用的最主要運輸方式。國際貿易總運量的60%以及中國進出口貨運量的90%都有賴于海洋運輸。氣泡減阻可以實現船舶高性能減阻，是降低船舶主機功耗、減少尾氣排放、提高船舶營運競爭力的有效方法之一。通過實驗途徑研究了氣體潤滑減阻有關氣泵變量的最佳動力性能。結果表明在現有氣泡船技術基礎上，保持客觀因素不變，在氣泵馬力越強、等通氣孔面積下通氣孔數量越多、通氣孔于船體位置相對靠前的情況下船體底部形成的氣幕更加穩定、船舶減阻性能更強，且船舶在自主航行過程中仍舊有減阻效果，更進一步的促進了船舶速度的提升，從而優化了氣泡船的減阻能力，更進一步達到了船舶節能綠色的目的。

關鍵詞:氣泡船;自主化運行;減阻實驗;氣泵高效利用;模型實驗

0引言

通過氣泡船減阻原理以及對其自主性的更進一步設想，經由模型試驗途徑，針對一直以來氣泡船氣幕形成難與傳統實驗局限性的問題，區別于通過科研途徑摸索，設想通過高效氣泵利用以及對其自主性運行時減阻性能探究的方法，同步結合測試氣泵的最佳船體作用位置方式，以達到減阻節能的綠色目標，通過對船體的結構分析和具體模型實驗，通過模型底部的獨特設計和氣泵馬力大小、安裝位置以及通口數量多少這三種條件改變的方式作為模擬實驗用研究，自主性方面則通過其最大回轉半徑改變量增減的實驗確定氣泡減阻對船舶自性的影響。

1氣泡減阻的主要機理

氣泡減阻船通過向船底注入氣體來形成一層穩定氣膜，利用了水和氣體在動力黏性系數上的巨大差異，從而降低船舶底面的黏性阻力，使船舶航行阻力在大幅度降低的同時，減少了能量消耗與尾氣排放。氣泡減阻船的概念，20世紀60年代后，各國對怎樣鎖定氣膜進行了深入研究，基本上形成了兩種思路。其一是在平底船上開設一個凹進船底的平面，四周用板材圍起來，在船底凹面內通以壓縮空氣，使大部分氣體封存在船底，這類技術主要應用在低速運輸船上，如駁船、貨船和大型油船。另一種則是在船底下建立一個微型增壓氣室，以側壁式氣墊船的發展走向，達到高性能節能船型。20世紀80年代以來，前蘇聯、法國、美國、澳大利亞、荷蘭等國建造了氣幕減阻技術高速船實艇并投入航運。世界多國也相繼開展了研究設計工作，但至今沒有實質性突破報道。

2國內減阻技術實況與思路形成

根據我們調查，國內在氣泡減阻的試驗方面做了大量研究。如武漢理工大學的王家楣、姜曼松、鄭曉偉、詹德新(2004)等人［1］［3］在一艘平底船模底部的首部和中部，分別通過多孔硅板噴氣生成氣泡，研究了不同噴氣形式、不同拖曳速度及不同噴氣量對減阻效果的影響。噴氣形式有三種，分別為:①僅在船底首部噴氣。②在船底首部和中部同時噴氣，且噴氣量相等。③在船底首部和中部同時噴氣，但首部噴氣量為70%、中部為30%。研究發現:相同條件下，在船首和船中同時噴氣的減阻效果要優于僅在首部噴氣的減阻效果，總減阻率最大可達32.8%;且當首部噴氣量大于中部時，有利于增大氣泡在船模底部的覆蓋范圍，減阻效果更好;在相同拖曳速度和不同噴氣形式下，縱傾角隨噴氣量變化很小，可忽略其對總減阻率的影響。考慮到此實驗效果及條件，本文以學校實驗室與泳池作為實驗場所采用微型制氣泵制出空氣，利用節能環保耗能低的微型制氣泵制造氣流。產生的氣泡在船底形成的狀態決定了船體在水中運行時所減少的阻力以及對效率的提升。在試驗過程中采用肥大的平底船作為母船，建立物理模型，并進行討論網格劃分或者平行劃分，設立邊界條件，選擇數值計算模型，并進行船舶通氣氣泡減阻數值研究。通過外形改進，探索適合我們團隊的船舶外型及通氣孔隙的布置。在前面的基礎上設計加工船舶模型，擬采用有機玻璃加工試驗船舶模型，這樣便于觀測和降低模型加工成本，進行穩定性和動力估算設計。試驗擬在游泳池或水池進行自由航行測試，設計不同動力、航速及通氣參數，研究它們的自由航行規律，得到船舶的氣泡減阻性能。自主航行方面，本文采用對氣泡減阻技術對船舶自主運行最直觀的影響方面———最大回轉半徑改變量的增減以確定氣泡減阻對船舶自主性能的影響。

根據以上得出氣孔位置的不同對實驗結果有影響，網格形狀的氣孔會在氣流產生過程中，船體下表面會形成一層微氣泡氣幕，但是會帶來船底進水損壞電機的情況。所以選擇在不同位置設置微型氣管，利用氣流產生的爆破式有效組織了水流進入船體的問題。對結果進行計算分析，得出結論:在一定范圍內，增大微氣泡入口速度、微氣泡入口濃度、微氣泡直徑大小時，都是因為增大了局部的微氣泡體積分數，才導致局部的摩擦阻力的減小，減阻效率的增大，達到增大速度的目的。而在通過了氣泡減阻之后船舶的最大回轉半徑明顯減小。

3影響船體運行速度和船舶自主性變化的因素探究

3．1影響速度因素的實驗猜想

為了確定氣泵制氣方法是否有效且能否達到最大減速效果，項目組成員做了以下猜想。1)氣泵電壓大小是否會影響船舶速度。2)通口數量多少是否會影響船舶速度。3)氣泵在船舶上的安裝位置是否會影響船舶速度。

3．2船舶自主性運轉時氣泵減阻效果猜想

由于大多數船舶減阻模型實驗采用方法限制，往往忽略了船舶在自動化運行中氣泡減阻對其的影響及規律，因此我們計劃通過對最能直觀表現船舶自主化性能的:最小回轉半徑的開泵前，開泵后數據變化進行確定氣泡減阻對其的影響。

4結語

本文通過測試船舶模型最小回轉半徑數值的變化確定了氣泡減阻對船舶自主化運行的積極影響，并改變船底氣孔的位置與自主航行時是否進行氣泡減阻，進行對模型船航速與最大回轉半徑的測評，在改變氣泡入口速度、濃度等條件，得到了不同結果。對實驗結果進行分析得到增大局部的氣泡體積分數是導致摩擦阻力減小的原因，此時減阻效率會增大，速度增快，且適用于船舶自主航行。實驗是基于模型研究，與實際會有一定差異。基于此，根據所查閱的資料及對本文結果整合，可作為類似研究借鑒。

參考文獻:

［1］王家楣，姜曼松，鄭曉偉，等．不同噴氣形式下船舶微氣泡減阻水池試驗研究［J］．華中科技大學學報(自然科學版)，2004，35(12)．

［2］王家楣，鄭曉偉，姜曼松．船舶吃水對微氣泡減阻影響的水池試驗研究［J］．船舶工程，2004，26(6)．

［3］歐勇鵬，董文才，許勇．B．H．型氣泡高速艇規則波中縱向運動試驗研究［J］．中國造船，2010，51(3)．

［4］張艷．高速雙體船船型氣泡減阻試驗研究［D］．武漢:武漢理工大學，2007．

［5］張艷，氣泡船節能關鍵技術與應用前景［J］．中國水運:下半月，2015(2)．

［6］程紅霞，倪其軍，刑圣德，等．人工氣泡船水動力性能試驗研究［J］．船舶力學，2011(11)．89.

作者:付明琨 閔景新 卜祥一 楊浩 孟祥微 單位:哈爾濱商業大學