气体润滑减阻的自主节能船探究范文

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摘要:船舶运输是国际贸易采用的最主要运输方式。国际贸易总运量的60%以及中国进出口货运量的90%都有赖于海洋运输。气泡减阻可以实现船舶高性能减阻，是降低船舶主机功耗、减少尾气排放、提高船舶营运竞争力的有效方法之一。通过实验途径研究了气体润滑减阻有关气泵变量的最佳动力性能。结果表明在现有气泡船技术基础上，保持客观因素不变，在气泵马力越强、等通气孔面积下通气孔数量越多、通气孔于船体位置相对靠前的情况下船体底部形成的气幕更加稳定、船舶减阻性能更强，且船舶在自主航行过程中仍旧有减阻效果，更进一步的促进了船舶速度的提升，从而优化了气泡船的减阻能力，更进一步达到了船舶节能绿色的目的。

关键词:气泡船;自主化运行;减阻实验;气泵高效利用;模型实验

0引言

通过气泡船减阻原理以及对其自主性的更进一步设想，经由模型试验途径，针对一直以来气泡船气幕形成难与传统实验局限性的问题，区别于通过科研途径摸索，设想通过高效气泵利用以及对其自主性运行时减阻性能探究的方法，同步结合测试气泵的最佳船体作用位置方式，以达到减阻节能的绿色目标，通过对船体的结构分析和具体模型实验，通过模型底部的独特设计和气泵马力大小、安装位置以及通口数量多少这三种条件改变的方式作为模拟实验用研究，自主性方面则通过其最大回转半径改变量增减的实验确定气泡减阻对船舶自性的影响。

1气泡减阻的主要机理

气泡减阻船通过向船底注入气体来形成一层稳定气膜，利用了水和气体在动力黏性系数上的巨大差异，从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时，减少了能量消耗与尾气排放。气泡减阻船的概念，20世纪60年代后，各国对怎样锁定气膜进行了深入研究，基本上形成了两种思路。其一是在平底船上开设一个凹进船底的平面，四周用板材围起来，在船底凹面内通以压缩空气，使大部分气体封存在船底，这类技术主要应用在低速运输船上，如驳船、货船和大型油船。另一种则是在船底下建立一个微型增压气室，以侧壁式气垫船的发展走向，达到高性能节能船型。20世纪80年代以来，前苏联、法国、美国、澳大利亚、荷兰等国建造了气幕减阻技术高速船实艇并投入航运。世界多国也相继开展了研究设计工作，但至今没有实质性突破报道。

2国内减阻技术实况与思路形成

根据我们调查，国内在气泡减阻的试验方面做了大量研究。如武汉理工大学的王家楣、姜曼松、郑晓伟、詹德新(2004)等人［1］［3］在一艘平底船模底部的首部和中部，分别通过多孔硅板喷气生成气泡，研究了不同喷气形式、不同拖曳速度及不同喷气量对减阻效果的影响。喷气形式有三种，分别为:①仅在船底首部喷气。②在船底首部和中部同时喷气，且喷气量相等。③在船底首部和中部同时喷气，但首部喷气量为70%、中部为30%。研究发现:相同条件下，在船首和船中同时喷气的减阻效果要优于仅在首部喷气的减阻效果，总减阻率最大可达32.8%;且当首部喷气量大于中部时，有利于增大气泡在船模底部的覆盖范围，减阻效果更好;在相同拖曳速度和不同喷气形式下，纵倾角随喷气量变化很小，可忽略其对总减阻率的影响。考虑到此实验效果及条件，本文以学校实验室与泳池作为实验场所采用微型制气泵制出空气，利用节能环保耗能低的微型制气泵制造气流。产生的气泡在船底形成的状态决定了船体在水中运行时所减少的阻力以及对效率的提升。在试验过程中采用肥大的平底船作为母船，建立物理模型，并进行讨论网格划分或者平行划分，设立边界条件，选择数值计算模型，并进行船舶通气气泡减阻数值研究。通过外形改进，探索适合我们团队的船舶外型及通气孔隙的布置。在前面的基础上设计加工船舶模型，拟采用有机玻璃加工试验船舶模型，这样便于观测和降低模型加工成本，进行稳定性和动力估算设计。试验拟在游泳池或水池进行自由航行测试，设计不同动力、航速及通气参数，研究它们的自由航行规律，得到船舶的气泡减阻性能。自主航行方面，本文采用对气泡减阻技术对船舶自主运行最直观的影响方面———最大回转半径改变量的增减以确定气泡减阻对船舶自主性能的影响。

根据以上得出气孔位置的不同对实验结果有影响，网格形状的气孔会在气流产生过程中，船体下表面会形成一层微气泡气幕，但是会带来船底进水损坏电机的情况。所以选择在不同位置设置微型气管，利用气流产生的爆破式有效组织了水流进入船体的问题。对结果进行计算分析，得出结论:在一定范围内，增大微气泡入口速度、微气泡入口浓度、微气泡直径大小时，都是因为增大了局部的微气泡体积分数，才导致局部的摩擦阻力的减小，减阻效率的增大，达到增大速度的目的。而在通过了气泡减阻之后船舶的最大回转半径明显减小。

3影响船体运行速度和船舶自主性变化的因素探究

3．1影响速度因素的实验猜想

为了确定气泵制气方法是否有效且能否达到最大减速效果，项目组成员做了以下猜想。1)气泵电压大小是否会影响船舶速度。2)通口数量多少是否会影响船舶速度。3)气泵在船舶上的安装位置是否会影响船舶速度。

3．2船舶自主性运转时气泵减阻效果猜想

由于大多数船舶减阻模型实验采用方法限制，往往忽略了船舶在自动化运行中气泡减阻对其的影响及规律，因此我们计划通过对最能直观表现船舶自主化性能的:最小回转半径的开泵前，开泵后数据变化进行确定气泡减阻对其的影响。

4结语

本文通过测试船舶模型最小回转半径数值的变化确定了气泡减阻对船舶自主化运行的积极影响，并改变船底气孔的位置与自主航行时是否进行气泡减阻，进行对模型船航速与最大回转半径的测评，在改变气泡入口速度、浓度等条件，得到了不同结果。对实验结果进行分析得到增大局部的气泡体积分数是导致摩擦阻力减小的原因，此时减阻效率会增大，速度增快，且适用于船舶自主航行。实验是基于模型研究，与实际会有一定差异。基于此，根据所查阅的资料及对本文结果整合，可作为类似研究借鉴。

参考文献:

［1］王家楣，姜曼松，郑晓伟，等．不同喷气形式下船舶微气泡减阻水池试验研究［J］．华中科技大学学报(自然科学版)，2004，35(12)．

［2］王家楣，郑晓伟，姜曼松．船舶吃水对微气泡减阻影响的水池试验研究［J］．船舶工程，2004，26(6)．

［3］欧勇鹏，董文才，许勇．B．H．型气泡高速艇规则波中纵向运动试验研究［J］．中国造船，2010，51(3)．

［4］张艳．高速双体船船型气泡减阻试验研究［D］．武汉:武汉理工大学，2007．

［5］张艳，气泡船节能关键技术与应用前景［J］．中国水运:下半月，2015(2)．

［6］程红霞，倪其军，刑圣德，等．人工气泡船水动力性能试验研究［J］．船舶力学，2011(11)．89.

作者:付明琨 闵景新 卜祥一 杨浩 孟祥微 单位:哈尔滨商业大学