气泡减阻技术研究进展

９ 年代以来 ， ０ 日本许多学者开始 了微气泡控 制湍流边界层减阻的试验研究 ， 其中比较有代表性
的是广 岛大学工学部和石川岛播磨重工业株 式会社
技术研究所所进行的平板及 回转体减阻的试验研
】９ ０
第 ６期
船
海
工
程
第４ ０卷
究， 试验结果 与苏 联及美 国大体一 致。近 １ ， ０来 日
１９ ９ ９年王 家 楣 教 授 在 试 验 中创 造 性 采 用 多
２ 大 气泡 减 阻技 术研 究概 况
高速 气泡 船是在 前苏联 列 宁格勒 的克雷 洛夫
研 究 院研 究成 功 的。他 们 自 １６ ９ １年 开 始 就研 究 人 工气泡 在滑 行艇上 的稳定 性 问 题 ，９ ５年 开始 １８
船 舶 的总 阻力 。微 气 泡减 阻 是通 过某 种 方 式在 船
上 首 次使用 空 气润 滑 ， 过艏部 的小 孔注 入空气 ， 通 最 终 未能在 船底 得 到一层 稳定 的气 泡层 。
最早 的试 验工 作 始 于 １ ７ ９ ３年 ， Ｍ Ｃ ｒ ｉｋ 由 ｃ ｏｍ ｃ
和 Ｂ ａａｈｒｙ 完成 ， 拖 曳 回转 体 上 环 绕 铜 导 ｈｔ ｃａ ａ ｔ ｙ 在 线 ， 以此 作为 阴极 通过 电解 而产生 氢气 泡 ， 低 并 在 速 时 阻力 降低 ５ ％ ， 由于 模 型形 状 和 表 面缠 绕 ０ 但 导 线 的影 响 ， 动很容 易 发生分 离 。 流 １７ ９５年前后 ， 联 的研 究 人员 研 究 了微 气 泡 苏 减 阻 的影 响因 素 ， 面摩 阻减 少高 达 ８ ％ 。气 泡 表 ０ 体 积浓 度 、 径 等 对 减 阻 影 响较 大 。微 气 泡 大 量 孔 集 中在 湍流 边界 层 中是 导 致阻力 减少 和湍 流改 善 的原 因 ， 孔径 为 １～ ｘ 的多 孔平 板 减 阻效 果最 ３Ｉ ｍ 佳 ，Ｏ～１０ ｍ时 阻力不 会减 少 。 ５ ０
达３ ． ９ 。 ３２ ％
采 用 大气泡 减阻可 使航 速 提 高 １％ ～ ０ ， ０ ３ ％ 同样
速度下 ， 主机消耗功率可降低 ２ ％ ～ ０ ０ ４ ％。低速 货 船 ， 用 大 气 泡 减 阻 的 船 可 以节 省 主 机 功 率 使
１％ ～ ０ 。所需专 用 的压缩 机 的功 率不 到 主机 ０ ３％ 功率 的 ３ ， 需 空 气 量 不 大 。采 用 大 气 泡 减 阻 ％ 所 并不会 恶化 船舶 的其 它 性 能 （ 稳性 、 操纵 性 、 航 适 性等 ）其结 构 比水翼 艇 、 垫 船 简单 、 价 较 低 ， ， 气 造 但是 航速 可 以达 到水翼 艇 的水平 。 美 国的气泡 船 研究 项 目规 划设 想 颇 多 ， 今 至 未 曾完全 变为 现实 。上世 纪 ９ ０年代 中期 ， 国对 美 Ａ Ｃ船 型 （ Ｌ 空气 润 滑双 体 船 ） 做 过 相 关 研 究 、 ， 也 获得 过专 利 ， 并将 其 转 让 至 欧洲 国家 。模 型水 池 试验 以及 船长 ７ ５ｍ与 １．５ｍ小艇 的实船 试验 ． ６７ 验证 了该 船型 具有 较 好 的 减 阻效 果 ， 决 定 以这 并 两艘 小 型气泡 艇作 为 母 型 船 ， 研制 新 的实 用 型气 泡船 。但 是该 船 型所 需 的气 流量 较 大 ， 持艇 底 维 气层 的功 率 当于推进 主 机 功率 的 １％ ～２％ ， ０ ０ 要 想推 向实 用化 ， 尚有许 多关 键技 术有待 解决 。 在国内， 大气泡 减 阻处 于探 索 阶段 ， 有很 多 亟 待解 决 的问题 ， 相关 部 门的研究 工作 见表 １ 。 ２０ ０ ５年 ，０ ７８所 首次 引进 苏联 提 出 的气 泡 腔 的概念 ， 对高 速 气 泡登 陆 艇 进 行模 型 试 验 。在 实 艇航 速 ３ ｎ时 ， 泡船 阻力相 对下 降 了 ２ ％ ， ０ｋ 气 ８ 与 苏 联 的效果相 当 ， 在 波浪试验 时 ， 但 显示 不 出气 泡
验研 究 ， 在较 低航 速及 较高 喷气 量下 ， 可形 成并维 持覆 盖 平 板 底 面 的气 层 ， 面 摩 擦 下 降 ８ ％ 以 表 ０ 上； 在高 速时 ， 过船 体 上 的断 阶形 成 空泡 Ｊ此 通 ，
研究 与苏 联 的人造 空腔 理论 相 同 。
１３ ９ ８年 ， 联 设 计 者 Ｌ Ｌｐｈｎ在 平 底 驳 船 苏 ． ａｓｉ
２ 纪８ ０世 ０年 代 初 ， 国研 究 人 员 进行 了 与 美
底 形成一 层薄 的微 气 泡． 的混 合 层 ， 某些 未 知 水 在 机 制作用下 减小 船 体 阻力 。大气 泡减 阻 则 利用 空 化 理论 ， 在船底 设 计一 个人 造 空 腔 ， 气 体 通入 空 将 腔 中形成一个 与水分离 的大气泡 ， 以达到 减 阻的 目
第４ ０卷 第 ６期 ２１ 年 １ ０１ ２月
船 海 工 程
Ｓ Ｐ ＆ ＯＣ ＡＮ ＨＩ Ｅ ＥＮＧ ＮＥ Ｉ ＥＲＩ ＮＧ
Ｖｏ ． ０ Ｎ ． １４ ｏ ６
Ｄｅ ． ０１ ｃ２ １
Ｄ Ｉ１ ．９ ３ｊｉ ｎ １７ －９３ ２ １ ．６０ ９ Ｏ ：０ ３ ６ ／． ｓ．６ １ ５ ．０ １０ ．２ ｓ ７
研 究 中作 了大量 的数 值模 拟及 相关工 作 。郑伟 涛
等 人 在
２０ 年 的 国 家 “８３” 项 目 ０６ ６
（０６ Ａ １２３ 的资 助 了开 展 了简 易 气 泡 船 型 ２０ Ａ １Ｚ ２ ） 不 同浮态下 粘 性 流 数 值 模 拟 研 究 ］ 。研 究 结 果 表 明 ， 泡在 两相 流 中 的体 积分 数越 小 ， 气 混合密 度
孔硅 材料 板 ， 借助 大 比例尺 平底 型船模 ， 并 就船 舶 吃水 和 喷气形 式对气 幕 减阻效 果 的影 响进行 了试
验研 究 。
研 究人 工气 泡 在 高 速 排 水 式 船 型 上 的稳 定 性 问 题 ，９ ３年起 研究 人工气 泡 在 双体 滑 行船 和 过 渡 １９ 型双体 船上 的应用 。投 入运 营 的气 泡高速 艇多 采
收 稿 日期 ：０ １ ４１ ２ １ － ．８ ０
修 回 日期 ：０ １ ８１ ２１－ — ０ ９ 作者 简介 ： 王丽艳 （ ９６ ） 女 ， １８ － ， 硕士生。 研 究方向 ： 高性能船舶 的设计 理论 和方法
Ｅ－ ａｉ： ｎ ｌｙ ｎ ５＠ １ ｍ ｌ ｗａ ｇｉ ａ ８１ ６３． ｏ ｏ ｍ
的。
在 １ 纪末 就 出现 了利 用 空气 薄层 将 船 与 ９世
水 隔离 ， 降低 摩擦 阻力 的设 想 。但 直 至上 世 纪 ６ ０ 年 代 才 真 正 开 始 微 气 泡 减 阻 的研 究 ，９ ３年 以 １７ 来， 苏联 、 日本 、 国、 国 、 国 、 国等 国家大力 中 美 法 韩 开展 了船 舶 气泡 减 阻 技 术 的研 究 ， 在 苏 联 等少 并 数 国家得 到 初步应 用 。在 国内 ， 武汉 理 工大 学 ， 海 军工 程 大学 ， 中国船 舶 科 学 研 究 中心 等 单 位在 理
径 在一 定范 围 内 随气 流 量增 加 而 增 大 ， 随来 流 速
度增大而减小 ； ④混合层 的长度随来 流速度及气
流 量 的增大 而增 长 ， 当气流 量过 大 时 ， 混合 层长 度 反 而减 小 ， 合层 厚度 随气 流量 增大 而增 加 。 混 近年来 ， 武汉 理 工 大 学 在微 气 泡 减 阻 技 术 的
论研 究及 试 验研究 方 面取 得 了一定 的成 果 。
苏联 相 似 的研 究 ， 基本 证实 了苏 联 的研 究 结果 ， 摩
擦阻力可减少 ５ ％ ～ ０ ０ ８ ％。研究表 明： ①喷气孑 Ｌ 的大小对减阻效果 的影响不 不是 微气泡 减阻的主要影 响因素 ； ③当水流速度不变 ， 增大单
入研 究 。起初 对微 气 泡在平 板 和 回转 体 上 的应用
做 了初步 探索 性 的 试 验研 究 ， 深 人 到低 速 平 底 后
船上 的应 用 。
１ １ 国外 研 究概 况 ．
近些 年 ，ａｄｒ 等人在 美 国海 军 大 型空 泡水 Ｓｎ ｅｓ
槽 （ Ｃ ） 展 了一 系列应 用 于平板 的气 泡减 阻试 ＬＣ开
用 断 阶或艇底 开 槽 这种 可 触 发 流动 分 离 的形 式 ， 前 苏联 的大 量 的试 验研 究 结 果 表 明 ： 高速 滑 行 艇
１９ ９ ９年詹 德 新 开 展 高速 气 泡 船 气 膜 减 阻 研 究 ， 研究 与船 型相 配 合 的喷 口位 置 、 嘴方 式 、 喷 喷 嘴装 置等关 键技 术 ， 船舶 航行 姿态 、 及 波浪 对减 阻 的影 响 。采 用 两 种模 型 ， 擦 阻力 减 少 最高 可 摩
梁 志勇 采用伪 谱矩 阵方 法对 平板微 气 泡减 阻 进 行数值 模 拟 ｊ计 算 结 果 表 明 ： 流 速度 一 定 ， ， 来 空 隙 比越 大 ， 阻效 果 越 好 ； 隙 比一 定 ， 流速 减 空 来 度 越大 ， 阻效果 越好 ； 隙 比对 减 阻效 果有 重要 减 空
影响。
技术 的实船应用情况 ， 指出存在的 问题和重点技术研究方 向。 关键词 ： 减阻 ； 微气泡 ； 大气泡 ； 滑行艇 中图分类号 ： ６ ３ ３ Ｕ ６ ． 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ：６ １ ９ ３ ２ １ ）６００ －５ １７ － ５ （ ０ １ ０ －１９０ ７
高速气泡船 （ ） 艇 是一 种发 展 中 的新 颖 高 效船 型＿， ｌ 是将气体 引入船底 ， 船底表 面形 成气 泡腔 ， Ｊ 在 从 而降低 流体粘性 系数 、 改变船底 流动模 式 以减少
位 时 间气 流量 ， 使摩 擦 阻力线 性减少 ， 至饱 和 可 直 气 流量 ， 在相 同气 流量 下 ， 随水流 速度 的增 大减 阻
效果 下 降 。
１ 微 气 泡减 阻技 术研 究概 况
微气 泡减 阻 在冷 战 时期 发 展 最 快 ， 主要 集 中 在苏 联 和 美 国 ， 日本 、 中国 、 挪威 等 国家 也 相继 投
气 泡 减 阻技 术 研 究 进 展
王 丽 艳 郝 思文 ，
（． １ 中国船舶科 学研 究中心， 苏 无锡 ２ ４ ８ ；． 江 １０２ ２ 中船澄西船舶修造有 限公 司产 品研发部 ， 苏 江 阴 ２ ４ ３ ） 江 １４ ３ 摘 要： 总结气泡减阻技术研究 的发展历程 ， 介绍微气泡减阻 和大气泡减 阻技术研究进展 ， 介绍气泡减阻
本的研究集 中在微气泡减 阻技术在实船上 的应用 。
１ ２ 国 内研究概 况 ．
就越 大 ， 而船 底 压力 越 大 ； 从 横倾 与 纵倾 情 况 下 ， 由于船底较 高体 积 分 数 的存 在 ， 致 船底 压 力 较 导
正 浮船底压 力更 为理 想 。
上海船 舶 运 输 科 学 研 究 所 的 蔡 金 琦 等 人 从 ２ ０世纪 ８ ０年代 初 开始致 力 研 究船 舶 薄 层气 膜 减 阻技 术 ， 型试 验 及 实 船试 验 结 果 表 明所 能 形 成 模 的船 底薄层 空 气膜可 使船 舶减 阻 １％ 一 ０ ［ 。 ５ ３％ ３ １
从 １９ ９７年始 ， 内学 者 董 文才 、 日修 等研 国 郭 究 了开 孔 、 缝 、 气 面积 、 流 量 、 流速 度及横 开 供 气 来 向断 阶对光 滑 平 板 局部 摩 擦 阻力 的影 响 ］ 。其
结果表 明： 开 孔 或 开缝 ， ① 摩擦 阻力 均 可 减小 ５ ％ 一 ０ ； 开 孔 大 小及 供 气 面 积 变 化 对 减 阻 ０ ９％ ② 效果的影响不大 ； ③气泡沿去流方向扩散 ， 气泡直