0.   引　言

近年来我国经济发展迅速，船舶科学和航运技术也得到了充分的发展。因此对能源的需求量与日俱增，每年消耗的原油达数亿吨，以至于世界能源紧张现象日趋明显，节能减排已成为共识。2018年，国际海事组织（IMO）出台了一项战略法规，旨在限制全球航运业的温室气体排放，IMO对国际航运船舶制定了严格的分阶段碳减排要求，使得航运业碳减排的任务变得非常紧迫^[1]。

通过减小船舶阻力来降低能耗是一个有效的措施。对于低速肥大型船舶，摩擦阻力占总阻力的比例较大，而气层减阻技术可以有效地减小船舶的摩擦阻力。该技术是将气体通过管路导入船底，在气流量和速度合适的情况下，气体可以在船底形成较厚的气层，利用水与空气在黏性和密度上的差异，在船底部形成均匀稳定的气液两相流，将船底与水适当分离，减少湿表面积，降低船体摩擦阻力^[2-7]。

对于船舶的气层减阻技术，日本、韩国、西欧和俄罗斯等都有着相当深入的研究，且在商用领域发展迅速。然而，由于该技术涉及到复杂的船底气液两相流和喷气系统的研制，迄今为止，国内外船舶气层减阻技术的商业化应用情况差距较大。日本的Tokihiro等^[8]在一条7 m长的VLCC模型上开展了静水及波浪中的喷气减阻试验研究，提出了一种从模型到实船的阻力换算方法，结果表明：在设计航速下，静水中模型喷气减阻可达13.7%；波浪情况下模型的垂荡与纵摇运动加大，减阻效果降低。若将该技术应用于实船，由于存在尺度效应，节能效果会有所减小；Mizokami等^[9-10]联合三星重工集团和日本邮船（NYK）建造了气层减阻实船Yamatai号，并针对该船研发了一套喷气系统。在进行大量的喷气减阻试验后发现：气层覆盖船底的厚度与喷气减阻的效果关系密切，在试验中最大节能可达12%；韩国三星重工开发了面向实船应用的离散气泡减阻节能系统，以一条长约200 m的某散货船为应用对象，在 1∶24的船模上开展了减阻实验，该系统后续又被应用于一艘 LNG 船^[11-12]上。

英国Silverstream 公司在离散气泡减阻系统的商业用途上发展很快。2015 年 Silverstream 公司对一艘名为 Amalienborg 的邮轮进行了运营测试，最终报告了 4% 及以上的净节能效果，相关的测试及结果得到了英国劳氏船级社的认证。该系统随后安装在 Sapphire Princess和 Norwegian Joy 等邮轮上，测试显示净功率节省了4%～5.1%^[13-14]；瑞典Stena Bulk公司联合SSPA和哥德堡查尔姆莫斯理工大学开展的Air Max Project项目，研究了船舶气层减阻的机理，并通过模型试验得到了较好的减阻效果^[15]；芬兰 Foreship 公司自2011 年以来，一直对实船离散气泡减阻系统投入研究和开发，该公司认为气层减阻不符合相似定律，没有进行缩比实验，所以他们的实船气层减阻系统主要基于全尺度 CFD 计算展开，通过使用 CFD 设计优化方法在船底中前部布置了多个通气孔，每个通气孔通过规则多孔板进行供气，通气量也在早期通过 CFD 进行优化，经测试，其净节能效果约为4%～5%。同时 Foreship 还指出，由于存在离散气泡，船舶能达到约10 dB 的降噪效果^[16]；俄罗斯克雷洛夫研究院（KRSI） 最早对连续气层减阻船模与实船开展了系统研究。自 20 世纪 60年代以来，KRSI为新旧船舶设计了两种连续性气层减阻方案，测试得出在6级浪下，仍有40%静水工况效果^[17]；荷兰海事研究院与荷兰代尔夫特理工等欧洲院校联合研发的连续性气层减阻项目采用了类似 KRSI 方案的船型设计，在模型实验中获得了约 20%的减少摩擦阻力效果和约 10% 的总减阻效果^[18]。

中国船舶科学研究中心分别使用平板、船模、百吨级样船、沿海实船等不同尺度的研究对象，进行了低速船气层减阻的理论和实验研究，在气层稳定性等关键技术上取得重大突破。针对载重吨为95 000 t的散货船，自行设计了一艘百吨级原理样船，测试得出在设计吃水、设计航速下可得到11%的净节能效率，并且将其自主研发的气层减阻技术应用于中国长航集团的“长航洋山 2” 400 TEU 敞口集装箱船上，经过测试，节能效果达到7%以上^[19-20]。

目前国内外大部分关于气层减阻的研究更多关注减阻效果、减阻机理和气层形态等方面，气层减阻的工程应用领域仍有进一步研究探索的空间。随着气层减阻技术的工程实用化需求愈发强烈，船型论证和实用场景考量的重要性逐渐凸显。因此，在此基础上，本文将针对一条载重吨为95 000 t的散货船，建造26 t气层减阻自航模。考虑到运输船一般为肥大型船舶，可能会设计多种载况，易导致船舶姿态发生变化，所以本文还将对船底凹槽内气层保持效果和船体姿态对气层的减阻效果进行研究。通过自行研究适合的船底凹槽形式以及配套的喷气装置，自主设计合适的供气系统和控制系统，并在武汉市木兰湖水深超过20 m的开阔水域进行26 t自航模气层减阻试验，所做研究对肥大型船舶气层减阻技术的工程应用具有一定参考意义。

1.   喷气系统的设计与验证

1.1   喷气系统设计

选取某载重吨为95 000 t的散货船作为研究对象，制作了缩尺比1∶15.2的大型自航模，该自航模的主尺度如表1所示。

表  1  散货船自航模主要参数

Table  1.  Main parameters of self propelled model of bulk carrier

参数	数值		参数	数值
设计水线长/m	15.46		设计航速/(m∙s−1)	1.913
垂线间长/m	15.2		设计排水量/t	26.24
设计水线宽/m	2.5		中剖面系数	0.997
设计吃水/m	0.822		方形系数	0.838

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图1给出了散货船未开设凹槽的横剖线图，该船型具有较长的平行中体，船底有宽阔的平底结构，适合在模型的平底部开设凹槽，并在凹槽的首部设置喷气装置。凹槽首部近似为圆形，光滑延展至两侧；中间段保持宽度不变；尾部宽度逐渐收缩，深度逐渐变小，船底凹槽如图2所示。凹槽的主要参数为：总长10.80 m、总宽2.05 m、深度0.05 m、凹槽在水平面的投影面积为20.26 m²、凹槽尾部斜坡长0.38 m。凹槽中部平行段从船尾7站之后0.03 m开始直至15站前0.01 m，平行段的长度为6.48 m。

图  1  模型横剖线图

Figure  1.  Transverse sectional lines plan of the model

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图  2  船底凹槽示意图

Figure  2.  Scene of the hollow on the bottom of model

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图3给出了喷气系统的示意图。漩涡风机和流量计通过管路连接，然后管路连接到船底凹槽内的喷气孔，在喷气孔和流量计间安装止回阀门。喷孔共有7个，喷孔的主要参数为：孔径50 mm，7个喷孔与船体中纵剖面对称布置，安装在凹槽首部断阶的紧后方，沿着凹槽边缘阵列布置。在船底设置的7个喷气孔的连接管路垂直于船底，高度为0.95 m，垂直管路的高度需要大于船体的吃水，保证自航模外的水不会通过气孔流入船舱内，这样设置垂直喷气孔和垂直管路可以方便清理被杂质堵住的气孔。

图  3  喷气系统示意图

Figure  3.  Schematic diagram of air injection system

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1.2   喷气流量验证

为了保证试验中的漩涡风机在相同的工况下的性能相同，试验前对7个漩涡风机在空气和水中对气流量进行了标校。图4给出了设备的安装图：TC-250A型漩涡风机和LUGB-MK-DN32型涡街流量计通过50 mm管路连接，风机的转速通过DFL-VF系列变频调速仪调节，在风机一端还连接了DDS238-4ZN/S系列导轨式多功能电表，用以测量漩涡风机的能耗。该供气系统的工作原理如下：通过工作中的漩涡风机产生足够大的压力将气体压入船底形成气层。使用管路连接各设备时尽量保证管路的直径相同，可以使管路中气体流速的沿程损失最小。

图  4  气流量标校设备安装图

Figure  4.  Air flow rate detection device installation

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图5给出了气流量的标校结果，试验中变频调速仪的频率调节范围为20～50 Hz。由图5可知，在空气中对漩涡风机进行标校时气体可以顺畅地由喷气孔喷出，不同频率下的漩涡风机的流量为20～60 m³/h；当喷气孔浸入水中0.822 m深度后，漩涡风机的频率高于40 Hz时气体才能顺利喷出，而且由于存在背压，在水中测试的气流量明显较空气中测试的气流量小，在水中试验的气流量为2～18 m³/h；7个风机在相同频率下的气流量差别不超过3%，漩涡风机的性能基本相同，这些为后续喷气减阻试验中控制气流量的大小提供了依据和保证。

图  5  漩涡风机标校结果

Figure  5.  Results of air flow measurement for vortex fans

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2.   自航模喷气减阻试验

2.1   气层减阻自航模控制系统设计

本文基于气层减阻高精度智能化的控制及测试系统，对各工况下大型自航模的航速、姿态及轴功率等参数进行同步测定。图6给出了气层减阻自航模系统的组成示意图，该系统包括岸基系统、船载控制系统和供气系统。

图  6  气层减阻自航模系统

Figure  6.  Self-propelled model system with air layer drag reduction

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岸基系统主要包括：通信设备和GPS差分站。其中GPS差分站的主要作用是准确定位试验中的经纬度坐标。自航模的实时坐标通过安装在自航模艏部和艉部的GPS接收器获取，进行解算后得到自航模的航速时历曲线。自航模姿态信号通过船舱内的惯导系统获取，并在工控机的处理下得到姿态信息。通过轴功率测量仪传感器测量轴应变，并将信号传输到接收器，接收器处理出计算扭矩值，再与转速结合计算轴功率。

船载控制系统包括：船载计算机、传感器、接口卡、自控程序、无线接收和发射装置。船载计算机负责记录各种即时数据，如经度坐标、纬度坐标、航速、主机转速、轴功率、倾角和舵角等。供气系统包括漩涡鼓风机、电能表、变频调速仪、流量计、安全阀门和管路。图7给出了试验中的相关设备，包括船载控制系统、轴功率测量仪器、控制风机转速的变频调速仪、测量风机流量的涡街流量计。

图  7  试验中的相关设备

Figure  7.  Relevant equipment in the experiment

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2.2   试验结果

2.2.1   气层保持性

试验地点为武汉市木兰湖，在水深超过20 m的开阔水域进行试验，并选择在凌晨6点到上午10点无风且无阳光直射的时间段进行试验，避免试验场地因素对试验的影响。图8给出了自航模在初始状态为正浮且在设计航速下喷气减阻的时历曲线。其中喷气方式为七孔喷气全开，总气流量为96.5 m³/h。由图8可知，喷气后自航模的航速明显提高（6.9%）；船底凹槽首部喷气可以使得船体稍有艉倾，船体横倾亦有改变；喷气关闭后，自航模航速并未立刻降低，而是维持了相当长一段时间后才慢慢下降，说明船底凹槽内气层具有良好的保持性。

图  8  船体正浮状态下喷气减阻时历曲线

Figure  8.  Time history curve of air layer drag reduction under positive buoyancy of the ship model

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2.2.2   航行倾角对气层的影响

载重吨为95 000 t的散货船在实际航行中的压载状态会有一定的艉倾，因此，在自航模气层减阻试验中变化纵倾角进行试验。试验中测量了喷气前、喷气中的航速和轴功率变化，并计算了航速提高百分比和轴功率节约百分比。图9给出了自航模在设计航速、喷气状态下不同航行倾角对航速和轴功率的影响，其中“–”表示艏倾。由图9可知，船体正浮时的减阻效果较船体艏倾时好；船体艉倾0°～0.25°时的减阻效果较好；较大的艉倾角对气层的覆盖不利。试验中在艉倾角大于0.25°后，气体明显在船首两侧溢出，减阻效果不明显。

图  9  喷气状态下不同航行倾角对航速和轴功率的影响

Figure  9.  The impact of different trim angles on ship speed and shaft power under air layer condition

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图10给出了自航模在正浮、设计航速下持续喷气时船底凹槽气泡的溢出。由图10可以看出，气泡溢出点在凹槽尾部，说明气层能覆盖船底，船底凹槽设计优良。

图  10  自航模在正浮、设计航速下持续喷气时气泡溢出情况

Figure  10.  Bubble overflow occurs in self-propulsion model at positive buoyancy and designed speed

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3.   结　论

为探究船底凹槽内气层保持效果和船体姿态对气层减阻效果的影响，本文针对一条载重吨为95 000 t的散货船，建造了26 t气层减阻自航模，自行设计了船底凹槽形式和喷气系统，并在开阔水域开展了自航模气层减阻试验。所使用的试验方法和得出的试验结果具有一定的工程意义和应用价值，可为肥大型船舶气层减阻技术的工程研究提供适当参考。试验结果表明：

1） 喷气后自航模的航速有明显提高，船底凹槽内气层具有良好的保持性，在停止喷气后自航模航速并未立刻降低，而是维持较长时间后才缓慢下降。

2） 船体艉倾0°～0.25°时的减阻效果较好；较大的艉倾角对气层的覆盖不利。当艉倾角大于0.25°后，气体明显在船首两侧溢出，减阻效果不明显。