95000DWT散貨船噴氣減阻模型試驗(yàn)研究

葉 青，董文才

（海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢湖北430033）

95000DWT散貨船噴氣減阻模型試驗(yàn)研究

葉 青，董文才

（海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢湖北430033）

為探討氣層減阻技術(shù)在大型低速運(yùn)輸船舶上的實(shí)施方法，在拖曳水池里開(kāi)展了95000DWT散貨船1∶38模型噴氣減阻試驗(yàn)，研究了氣流量、航速、排水量、凹槽深度對(duì)噴氣減阻效果的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在95000DWT散貨船模型底部設(shè)置凹槽并噴氣，模型總阻力大幅度降低。隨著氣流量增加，阻力降低幅度增大，存在一個(gè)飽和氣流量：當(dāng)Fr＝0.139～0.182時(shí)，隨航速增加，減阻率呈降低趨勢(shì)；凹槽深度增加，噴氣減阻效果提高，但不噴氣時(shí)凹槽會(huì)導(dǎo)致阻力增加，且阻力增加幅度隨凹槽深度增加而增加，存在一個(gè)最佳凹槽深度（h／B＝0.024）；壓載排水量減阻率高于設(shè)計(jì)排水量減阻率。凹槽深度20 mm，設(shè)計(jì)航速下，飽和噴氣（Cq＝0.210）時(shí)，設(shè)計(jì)排水量下絕對(duì)減阻率可達(dá)26.99%，壓載排水量下絕對(duì)減阻率可達(dá)33.79%。

肥大型船；氣層減阻；氣流量；航速；排水量；槽深；相對(duì)減阻率；絕對(duì)減阻率

探討氣層減阻技術(shù)在大型低速運(yùn)輸船舶上的實(shí)施方法，獲得減阻效果顯著的設(shè)計(jì)方案是該技術(shù)走向工程應(yīng)用首先需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。鑒于上述原因，在拖曳水池里開(kāi)展了95000DWT散貨船噴氣減阻模型試驗(yàn)，探討氣流量、航速、排水量、凹槽深度等對(duì)噴氣減阻的影響規(guī)律，尋求肥大船型大幅減阻的氣層設(shè)計(jì)方案，以推動(dòng)該技術(shù)在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐粭l95000DWT散貨船，縮尺比為1∶38。該船是典型的肥大型船，具有大平底、長(zhǎng)平行中體的特點(diǎn)。表1給出了模型的主尺度參數(shù)。表中LWL為設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)，BWL為設(shè)計(jì)水線寬，H為模型總高，Cm、Cb、Cp分別為舯剖面系數(shù)、方形系數(shù)和縱向棱形系數(shù)。ΔWL和TWL表示設(shè)計(jì)排水量和設(shè)計(jì)吃水，ΔBW和TBW表示壓載排水量和壓載吃水。圖1給出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M剖線圖，從船艉至船艏依次為0站至20站。

表1 95000DWT散貨船模型主要參數(shù)Table1 The hull parameters of 95000DWT bulk carrier model

圖1 模型型線圖Fig.1 The body?plan of the test model

圖2 船底凹槽設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Sketch of the hollow

圖3 水池中航行的試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 The experimental model sailing in the tank

在模型底部設(shè)置人造凹槽，其縱向位置為：船艏18站前150 mm至船艉4站稍前處。凹槽總長(zhǎng)4.32 m，總寬0.82 m，如圖2所示。凹槽面積與船體平底面積之比為83.6%，與設(shè)計(jì)排水量下的船體濕表面積之比為37.3%。試驗(yàn)中模型底部凹槽深度變化4種，對(duì)應(yīng)凹槽深度寬度比h／B分別為0.012、0.018、0.024、0.03。

試驗(yàn)在中國(guó)特種飛行器研究所高速拖曳水池完成，試驗(yàn)水池長(zhǎng)510 m，寬6.5 m，水深5 m。阻力測(cè)量采用CSSRC?40型拉力傳感器，量程為40 kg，精度為0.3%。升沉測(cè)量采用FWP?1.2拉線式位移傳感器測(cè)量，量程1.2 m，精度0.2%。在水池底部布置水下攝像頭，以捕捉噴氣航行時(shí)底部凹槽內(nèi)氣層形態(tài)，圖4給出了水下攝像頭拍攝的船底凹槽氣層形態(tài)照片。

圖4 模型底部氣層形態(tài)Fig.4 The air layer form under the bottom hull

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不噴氣靜水阻力

圖5、6給出了設(shè)計(jì)排水量、不同凹槽深度下，模型不噴氣時(shí)單位排水量阻力和重心高度隨速度的變化曲線。圖7給出了壓載排水量、不同凹槽深度下模型不噴氣時(shí)單位排水量阻力變化曲線。其中，Rt／W表示單位排水量阻力；Zg表示重心高度變化，正值表示船體上抬。Fr為長(zhǎng)度傅氏數(shù)，采用式（1）計(jì)算。

式中：V為模型速度，g為重力加速度。

同時(shí)，建議將滑坡區(qū)發(fā)現(xiàn)的裂隙(縫)等用粘土進(jìn)行回填封閉，施工期應(yīng)設(shè)站加強(qiáng)邊坡變形監(jiān)測(cè)，特別是汛期應(yīng)加密觀測(cè)。

圖5 設(shè)計(jì)排水量下不噴氣時(shí)的總阻力Fig.5 The hull resistance at designed displacement without air injection

圖6 設(shè)計(jì)排水量下不噴氣時(shí)的重心高度變化Fig.6 The height of center of gravity at designed displacement without air injection

圖7 壓載排水量下不噴氣時(shí)的總阻力Fig.7 The hull resistance at ballasted displacement without air injection

由圖5～7可以看出，隨著航速增加，模型阻力、重心下沉量均增加。在模型底部開(kāi)設(shè)凹槽后，阻力增加，且隨凹槽深度增加阻力增加幅度增大，其原因主要是開(kāi)設(shè)凹槽后導(dǎo)致模型形狀阻力增大。Fr＝0.107～0.182時(shí)，h／B從0.012增大至0.03時(shí)，模型阻力相對(duì)光體狀態(tài)下增加約10%～25%。

2.2 噴氣減阻率

定義無(wú)因次氣流量系數(shù)Cq、相對(duì)減阻率ηR、絕對(duì)減阻率ηa如下：

式中：Q為氣流量，B為凹槽寬度，h為凹槽深度；R為模型設(shè)置凹槽、不噴氣時(shí)的阻力；Ra表示模型設(shè)置凹槽、噴氣后的阻力；R0表示不噴氣時(shí)模型的光體阻力。

表2、3分別給出了h／B＝0.024時(shí)，模型設(shè)計(jì)排水量和壓載排水量時(shí)，不同速度下減阻率隨無(wú)因次氣流量系數(shù)的變化。需要注意的是，相對(duì)調(diào)節(jié)氣流量而言，改變航速較為方便，故開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)采用固定氣流量變航速的方法，因此表2、3中，相同氣流量時(shí)，隨Fr增加Cq逐漸減小。

表2 設(shè)計(jì)排水量減阻率Table2 Resistance reduction rate at designed displacement

從表2、3中可以看出：設(shè)計(jì)航速Fr＝0.155下，模型設(shè)計(jì)排水量時(shí)相對(duì)減阻率最大可達(dá)44.33%，絕對(duì)減阻率可達(dá)32.70%；壓載排水量相對(duì)減阻率最大可達(dá)51.46%，絕對(duì)減阻率最大可達(dá)39.51%。也可得知：氣流量及航速對(duì)減阻率有較大影響。

表3 壓載排水量減阻率Table3 Resistance reduction rate at ballasted displacement

2.3 氣流量的影響

對(duì)不同凹槽深度下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，不同凹槽深度下，模型阻力和重心高度隨航速、氣流量的變化規(guī)律基本一致。為此，本文以槽深h／B＝0.024為例分析氣流量及航速的影響規(guī)律。

圖8 Fr＝0.155時(shí)阻力和重心高度隨氣流量的變化Fig.8 The effect of air flow rate on resistance at designed displacement for Fr＝0.155

圖8分別給出設(shè)計(jì)排水量、航速Fr＝0.155時(shí)單位排水量阻力和重心高度隨氣流量的變化曲線。由圖8（a）可知：兩種排水量下，船底噴氣均引起Rt／W減?。浑S氣流量增大，Rt／W減小量增大，但存在一個(gè)飽和氣流量，當(dāng)Cq＞0.210時(shí)，減阻幅度趨于平緩。分析原因，主要是隨著氣流量增大，模型底部氣層覆蓋區(qū)域逐漸增加，當(dāng)氣流量達(dá)到飽和時(shí)，模型底部凹槽已經(jīng)完全被氣層覆蓋，繼續(xù)增大氣流量，對(duì)減阻效果提高不大。

由圖8（b）可以看出：隨著氣流量增加，船體重心下沉幅度減小，當(dāng)氣流量增大至Cq＝0.224時(shí)，船體上抬較為顯著。這主要是氣流量較大時(shí)，船底凹槽被氣體完全充滿，使得模型吃水減小。

2.4 航速的影響

圖9分別給出了不同排水量和氣流量下絕對(duì)減阻率隨航速的變化。

圖9 設(shè)計(jì)和壓載排水量下絕對(duì)減阻率隨速度的變化Fig.9 Absolute resistance reduction rate varies with speed at designed displacement and ballasted displacement

由圖可知，模型速度增加，減阻率呈降低趨勢(shì)。這主要時(shí)因?yàn)殡S著航速增加，摩擦阻力在總阻力中所占比例變小，因此減阻效果降低。由表2、3數(shù)據(jù)可知：設(shè)計(jì)航速下，取飽和氣流量為Cq＝0.210時(shí)，設(shè)計(jì)排水量下絕對(duì)減阻率可達(dá)26.99%，壓載排水量下絕對(duì)減阻率可達(dá)33.79%。同時(shí)，對(duì)比兩種排水量減阻率，還可以發(fā)現(xiàn)，壓載排水量減阻率高于設(shè)計(jì)排水量減阻率，這與兩種排水量狀態(tài)下摩擦阻力占總阻力比例有關(guān)。

2.5 凹槽深度對(duì)減阻率的影響

圖10分別給出了設(shè)計(jì)航速時(shí)，設(shè)計(jì)排水量和壓載排水量下絕對(duì)減阻率隨無(wú)因次氣流量系數(shù)的變化?？梢钥闯觯弘S著凹槽深度增加，絕對(duì)減阻率增大，減阻效果提高，但隨著凹槽進(jìn)一步增加，減阻效果提高趨勢(shì)減緩；存在一個(gè)最佳凹槽深度，當(dāng)凹槽深度大于最佳凹槽深度時(shí)，相對(duì)減阻率不增反減。從試驗(yàn)中觀察可知，凹槽較淺時(shí)，氣體較易從船體兩側(cè)逸出，增加凹槽深度有利于模型底部形成氣層并使氣層覆蓋率上升，但是過(guò)大的凹槽深度帶來(lái)的阻力增加會(huì)使減阻效果降低。綜合考慮開(kāi)設(shè)凹槽帶來(lái)的阻力增加，試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥罴寻疾凵疃萮／B＝0.024。

圖10 設(shè)計(jì)和壓載排水量不同凹槽深度絕對(duì)減阻率隨無(wú)因次氣流量系數(shù)的變化Fig.10 The effect of air flow rate Cqon absolute resistance reduction rate at different hollow depths at designed displacement and ballasted displacement

3 結(jié)論

1）在模型底部開(kāi)設(shè)凹槽后，模型阻力增大且隨凹槽深度增加，阻力增加幅度增大。

2）噴氣后模型總阻力大幅度降低；隨氣流量增加，阻力降低幅度增大，存在一個(gè)飽和氣流量，氣流量達(dá)到飽和后，阻力降低趨于平緩。

3）隨模型速度增加，減阻率呈降低趨勢(shì)。

4）隨凹槽深度增加，噴氣減阻效果提高；存在一個(gè)最佳凹槽深度，當(dāng)凹槽深度大于最佳凹槽深度時(shí)，減阻效果不增反減。綜合考慮開(kāi)設(shè)凹槽帶來(lái)的阻力增加，試驗(yàn)使用模型最佳凹槽深度為h／B＝0.024。 5）壓載排水量減阻率高于設(shè)計(jì)排水量減阻率。

6）凹槽深度20 mm時(shí)，設(shè)計(jì)航速飽和噴氣（Cq＝0.210）時(shí)，設(shè)計(jì)排水量下絕對(duì)減阻率可達(dá)26.99%，壓載排水量下絕對(duì)減阻率可達(dá)33.79%。

［1］THILL C.A long road mapping drag reduction［C］／／Inter?national Conference on Ship Drag Reduction（SMOOTH?SHIPS），Istanbul，Turkey，2010：20?21.

［2］ANDREY V，SVERCHKOV A V.Potential of the artificial air cavity technology for raising the economic efficiency of China's inland waterway shipping［C］／／Ninth International Conference on Fast Sea Transportation FAST2007.Shang?hai，China，2007.

［3］SVERCHKOV A V.Application of air cavities on high?speed ships in Russia［C］／／International Conference on Ship Drag Reduction（SMOOTH?SHIPS）.Istanbul，Turkey，2010：1?10.

［4］NOAH S.Generating efficiencies from thin air［EB／OL］.HANSA International Maritime Journal，（2012?11）.http：／／dkgroup.eu／userfiles／files／HANSA?241112.pdf.

［5］KODAMA Y，TAKAHASHI M，MAKINO T.Practical appli?cation of microbubbles to ships—large scale model experi?ments and a new full scale experiment［J］.Journal of the So?ciety of Naval Architects of Japan，2009，201（1）：15?28.

［6］SHUJI M.Development and full?scale verification tests of air lubrication system［J］.Class NK Technical Bulletin，2012，30：11?21.

［7］DONG Wencai，OU Yongpeng.Experimental study on resist?ance and longitudinal motion of high?speed air cavity craft［J］.Journal of Ship Mechanics，2011，9（15）：950?959.

［8］蔡金琦.船舶薄層氣膜減阻技術(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用［J］.中國(guó)造船，2000，41（3）：9?13.

CAI Jinqi.Ship resistance reduction by using thin layer of air film［J］.Shipbuilding of China，2000，41（3）：9?13.

［9］王金光.減阻穩(wěn)定氣穴形成與控制理論和試驗(yàn)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

WANG Jinguang.Theoretical and experimental research on forming and controlling stable resistance reduction air-cavity［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2009.

［10］程紅霞，倪其軍，邢圣德，等.人工氣泡船水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究［J］船舶力學(xué)，2001，15（11）：1240?1247.

CHENG Hongxia，NI Qijun，XING Shengde，et al.An exper?imental study on artificial bubble ship hydrodynamic char?acteristic［J］.Journal of Ship Mechanics，2011，15（11）：1240?1247.

［11］張鄭.低速肥大船型氣幕減阻研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

ZHANG Zheng.Study of drag reduction with air-film［D］.Wuhan：Wuhan Uninversity of Technology，2010.

Model experimental study on resistance reduction of a 95000DWT bulk carrier by air lubrication

YE Qing，DONG Wencai
（Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In order to investigate the implementation of air lubrication on full?formed ships，a model experiment of a 95000DWT bulk carrier at a scale of 1∶38 was carried out in a towing tank.The effect of air flow rate，velocity，displacement and hollow depth on drag reduction was investigated.The results show that the model's total resist?ance decreases rapidly when a hollow is set up at the bottom hull of the 95000DWT bulk carrier with air injection.The reduction of resistance becomes more obvious as the air flow rate increases.There is also a saturated air flow rate in which the resistance reduces slowly when the air flow rate is greater than it.When Fr＝0.139～0.182，the resistance reduction rate decreases with the velocity increasing and the effect of drag reduction improves as the hol?low depth increases.However，without air injection，the hull resistance will increase due to the hollow and that the increase is larger with the increasing of the hollow depth，thus，there is an optimum hollow depth（h／B＝0.024）.The reduction of resistance is greater at the ballasted displacement than the designed displacement.The absolute re?sistance comes to 26.99%at the designed displacement with a hollow 20mm deep at the designed velocity and the saturated air flow rate（Cq＝0.210），and it comes to 33.79%at the ballasted displacement

full?formed ship；air lubrication；air flow rate；navigational velocity；displacement；hollow depth；rela?tive resistance reduction rate；absolute resistance reduction rate

10.3969／j.issn.1006?7043.201309075

U631.1

A

1006?7043（2015）01?0068?05

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20141107.1523.002.html

2013?09?23.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014?11?07.

工信部高技術(shù)船舶科研資助項(xiàng)目（［2011］530）.

葉青（1985?），男，助理工程師；

董文才（1967?），男，教授，博士生導(dǎo)師.

董文才，E?mail：haigongdwc＠126.com.