大型船舶在限制性航道航行時(shí)的航行阻力及減阻對(duì)策

朱廣春 艾萬政

【關(guān)鍵詞】 大型船舶;航道;船舶阻力;節(jié)能減排;減阻

0 引 言

船舶節(jié)能減排已成為世界航運(yùn)界關(guān)注和研究的重要課題，其不僅與船舶營運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)，也是保護(hù)海洋環(huán)境和防止環(huán)境污染的重要舉措，符合我國節(jié)約資源的基本國策。隨著IMO“2020限硫令”的實(shí)施，為滿足IMO要求，多數(shù)航運(yùn)企業(yè)選擇了讓所屬船舶使用價(jià)格較高的低硫燃料油，增加了船舶營運(yùn)成本。加之新冠疫情對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的沖擊，航運(yùn)界越來越重視船舶節(jié)能減排技術(shù)。減小船舶航行阻力是最直接有效的節(jié)能減排措施。目前針對(duì)船舶在開闊水域航行的減阻技術(shù)的研究有：劉暢等[1]提出了球鼻艏線型優(yōu)化的減阻方法;歐勇鵬等[2]提出了船舶氣層減阻方法;周朝英等[3]提出了球頭體逆向噴流減阻方法;朱鵬飛等[4]針對(duì)營運(yùn)船舶提出了縱傾優(yōu)化的減阻方法。針對(duì)船舶航行在開闊水域中的減阻技術(shù)研究較為豐富，對(duì)于船舶航行在限制性航道中的減阻方法卻鮮有研究。當(dāng)船舶在限制性航道中航行時(shí)，由于受到淺水效應(yīng)和岸壁效應(yīng)的影響，其水動(dòng)力性能會(huì)發(fā)生較大變化，從而消耗更多的燃料，尤其是本身就具有較大阻力的大型船舶，因此有必要對(duì)大型船舶在限制性航道航行時(shí)的阻力特性和減阻方法進(jìn)行研究。

1 船舶航行阻力

1.1 阻力構(gòu)成

當(dāng)船舶航行時(shí)，由于船體同時(shí)運(yùn)動(dòng)于空氣與水兩種流體介質(zhì)中，會(huì)同時(shí)受到兩種流體介質(zhì)對(duì)其作用的阻力。為了便于研究，船舶阻力按流體介質(zhì)種類分為空氣阻力和水阻力，兩者之和為總阻力。由于水阻力占船舶總阻力的絕大部分，因此研究多集中于水阻力。根據(jù)海況，水阻力分為船舶在靜水中航行時(shí)的靜水阻力和波浪中的阻力（亦稱洶濤阻力）增值。根據(jù)裸船體與軸支架、舵、舭龍骨等附體所受的水阻力研究方法的不同，將船舶阻力分為裸船體在靜水中的裸體阻力和其他部分組成的附加阻力?？紤]到航行環(huán)境條件，船舶在深水航行時(shí)所受的阻力與在淺水域和狹水道等限制性水域中航行時(shí)所受的阻力又有不同。船舶在航行中的阻力見圖1。

船舶總阻力與種各阻力之間的關(guān)系見圖2。從弗勞德觀點(diǎn)分類看，船舶總阻力由摩擦阻力和剩余阻力組成;從力的分類看，船舶總阻力是由作用于船舶表面上水的切向力和法向力組成的，即摩擦阻力和壓阻力，水的切向力沿船體表面積分所得在運(yùn)動(dòng)方向上的分量為摩擦阻力，水的法向力沿船舶表面積分所得在運(yùn)動(dòng)方向上的分量為壓阻力;從能量耗散分類看，船舶總阻力由興波阻力和黏性阻力組成，這兩部分力導(dǎo)致尾流能量和波形能量的耗損。

雖然各阻力都是來自于流體的作用力，但其成因是不相同的。摩擦阻力是由于流體具有黏性而引起的，當(dāng)船舶在水中航行時(shí)，由于水的黏性船舶周圍會(huì)形成“邊界層”，其表面受到水的切應(yīng)力作用產(chǎn)生摩擦力，摩擦力在運(yùn)動(dòng)方向上的合力就是摩擦阻力。壓阻力是由于船舶在水中航行時(shí)表面的壓力分布發(fā)生變化導(dǎo)致的。壓力分布變化的原因主要有兩方面：（1）由于水具有黏性，其不僅會(huì)使運(yùn)動(dòng)中的船舶因艏部壓力增大、艉部壓力降低形成壓力差而產(chǎn)生阻力，還會(huì)使船舶曲度驟變，尤其是艉部會(huì)產(chǎn)生旋渦，旋渦處壓力降低，從而改變船舶表面的壓力分布。這種由于水的黏性導(dǎo)致船舶產(chǎn)生阻力的力稱為黏壓阻力。（2）由于船舶航行于空氣和水兩種介質(zhì)中，會(huì)有自由表面的存在，船體在航行中會(huì)興起波浪，這種興波會(huì)導(dǎo)致船體表面壓力發(fā)生變化，即艏部壓力增大而艉部壓力降低，從而形成阻力。這種因興起波浪所產(chǎn)生的阻力稱為興波阻力。從能量的觀點(diǎn)看，這兩種阻力是由于產(chǎn)生旋渦和興波耗能所形成的阻力。黏壓阻力只有在有黏性的流體中才會(huì)產(chǎn)生，而興波阻力在理想流體中也會(huì)產(chǎn)生，因此通常會(huì)將因水的黏性而產(chǎn)生的黏壓阻力和摩擦阻力合并稱為黏性阻力，將除摩擦阻力外的其他阻力統(tǒng)稱為剩余阻力。

1.3 航道的影響

由于受到航道水深和航道寬度的限制，船舶在航道中航行時(shí)其水動(dòng)力性能會(huì)發(fā)生很大的變化，船體所受的黏性阻力和興波阻力與在開闊水域航行時(shí)有很大不同。限制性航道一般水深較淺，船底與河底之間的流速會(huì)明顯增加，同時(shí)一部分水會(huì)被排向船體兩側(cè)，船側(cè)流速也會(huì)增加，從而使得黏性阻力增加（見圖3）。

2.1 降低船舶表面粗糙度

大型船舶因長時(shí)間在海洋中航行，其表面不僅會(huì)因腐蝕變得粗糙，也會(huì)因貝類、藤壺和藻類等生物附著船體而污底。船舶出現(xiàn)污底，表明船舶表面粗糙度增加，這會(huì)直接影響船舶的摩擦阻力，船舶粗糙度越高，船舶摩擦阻力越大。尤其是當(dāng)船舶在限制性航道中航行時(shí)，受淺水效應(yīng)的影響，船舶周圍流速增加，摩擦阻力會(huì)進(jìn)一步增加。對(duì)船舶進(jìn)行污底清理是降低船舶表面粗糙度的最簡單的方法。航運(yùn)企業(yè)可以通過分析航行數(shù)據(jù)，定期對(duì)船舶進(jìn)行污底清洗或修理，以防止因污底而增加船舶摩擦阻力。

2.2 采用合理航速

很多航運(yùn)企業(yè)為減少船舶的能源消耗，會(huì)指導(dǎo)航行中的船舶采用經(jīng)濟(jì)航速以減少航行中的阻力。由于水速度易于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，并且摩擦阻力和壓阻力都與速度的平方成正比，因此采用經(jīng)濟(jì)航速這種減阻方式對(duì)于在航船舶非常易于實(shí)現(xiàn)，可以有效減少船舶阻力。當(dāng)船舶在航道中航行時(shí)，受到水深的限制和淺水效應(yīng)的影響，船速對(duì)船舶阻力的影響更為明顯，不僅會(huì)因船舶周圍速度的增加而使得摩擦阻力和黏壓阻力增加，也會(huì)因興波波形的改變，使得興波更為劇烈，興波阻力增加。在水深一定的情況下，水深弗勞德數(shù)隨船速的增加而增加，當(dāng)水深傅汝德數(shù)增加至臨界區(qū)時(shí)，興波劇烈，興波阻力明顯增加，尤其是對(duì)于在航道中的大型船舶，其興波阻力占總阻力的80%以上。因此，為有效減小船舶在航道中的阻力，在保證船舶安全和高效航行的條件下，應(yīng)選擇合適的船速航行，盡量避免其水深傅汝德數(shù)達(dá)到臨界區(qū)。

2.3 采用縱傾優(yōu)化技術(shù)

縱傾優(yōu)化是指船舶在不改變航速、載質(zhì)量和船體結(jié)構(gòu)的情況下，僅依靠調(diào)節(jié)船舶的縱傾達(dá)到減少阻力的目的。這種方法對(duì)于大型船舶效果尤為明顯。根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)用實(shí)踐，在每一航速下都會(huì)存在一個(gè)最佳縱傾值使船舶阻力最小。當(dāng)船舶航行在航道中時(shí)，興波阻力占比較高，阻力值較大，通過調(diào)節(jié)船舶縱傾，可以改變船首和船尾的入水角度，改變興波參數(shù)，從而影響興波阻力。為避免因淺水效應(yīng)產(chǎn)生的船舶下沉，在保證有足夠的富余水深的前提下，船舶在航道中航行時(shí)可以采用縱傾優(yōu)化技術(shù)。

3 結(jié) 語

筆者探討了大型船舶在限制性航道中航行時(shí)的減阻問題，在分析船舶在限制性航道航行時(shí)的阻力成因和特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合營運(yùn)船舶易于實(shí)現(xiàn)的減阻技術(shù)，對(duì)大型船舶在限制性航道航行時(shí)如何減阻提出建議。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉暢，謝家榮，林慰. 基于CFD方法的球鼻艏減阻優(yōu)化研究[J]. 廣東造船，2016（1）：37-39.

[2] 歐勇鵬，吳浩，董文才. 船舶氣層減阻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 中國水運(yùn)，2015（9）：28-30.

[3] 周超英，紀(jì)文英，張興偉等. 球頭體逆向噴流減阻的數(shù)值模擬研究[J]. 工程力學(xué)，2013（1）：441-447.

[4] 朱鵬飛，艾萬政，張亮. 船舶縱傾優(yōu)化節(jié)能策略[J]. 水運(yùn)管理，2019（3）：26-28.