氣體潤(rùn)滑減阻的自主節(jié)能船探究范文

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摘要:船舶運(yùn)輸是國(guó)際貿(mào)易采用的最主要運(yùn)輸方式。國(guó)際貿(mào)易總運(yùn)量的60%以及中國(guó)進(jìn)出口貨運(yùn)量的90%都有賴于海洋運(yùn)輸。氣泡減阻可以實(shí)現(xiàn)船舶高性能減阻，是降低船舶主機(jī)功耗、減少尾氣排放、提高船舶營(yíng)運(yùn)競(jìng)爭(zhēng)力的有效方法之一。通過(guò)實(shí)驗(yàn)途徑研究了氣體潤(rùn)滑減阻有關(guān)氣泵變量的最佳動(dòng)力性能。結(jié)果表明在現(xiàn)有氣泡船技術(shù)基礎(chǔ)上，保持客觀因素不變，在氣泵馬力越強(qiáng)、等通氣孔面積下通氣孔數(shù)量越多、通氣孔于船體位置相對(duì)靠前的情況下船體底部形成的氣幕更加穩(wěn)定、船舶減阻性能更強(qiáng)，且船舶在自主航行過(guò)程中仍舊有減阻效果，更進(jìn)一步的促進(jìn)了船舶速度的提升，從而優(yōu)化了氣泡船的減阻能力，更進(jìn)一步達(dá)到了船舶節(jié)能綠色的目的。

關(guān)鍵詞:氣泡船;自主化運(yùn)行;減阻實(shí)驗(yàn);氣泵高效利用;模型實(shí)驗(yàn)

0引言

通過(guò)氣泡船減阻原理以及對(duì)其自主性的更進(jìn)一步設(shè)想，經(jīng)由模型試驗(yàn)途徑，針對(duì)一直以來(lái)氣泡船氣幕形成難與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)局限性的問(wèn)題，區(qū)別于通過(guò)科研途徑摸索，設(shè)想通過(guò)高效氣泵利用以及對(duì)其自主性運(yùn)行時(shí)減阻性能探究的方法，同步結(jié)合測(cè)試氣泵的最佳船體作用位置方式，以達(dá)到減阻節(jié)能的綠色目標(biāo)，通過(guò)對(duì)船體的結(jié)構(gòu)分析和具體模型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模型底部的獨(dú)特設(shè)計(jì)和氣泵馬力大小、安裝位置以及通口數(shù)量多少這三種條件改變的方式作為模擬實(shí)驗(yàn)用研究，自主性方面則通過(guò)其最大回轉(zhuǎn)半徑改變量增減的實(shí)驗(yàn)確定氣泡減阻對(duì)船舶自性的影響。

1氣泡減阻的主要機(jī)理

氣泡減阻船通過(guò)向船底注入氣體來(lái)形成一層穩(wěn)定氣膜，利用了水和氣體在動(dòng)力黏性系數(shù)上的巨大差異，從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時(shí)，減少了能量消耗與尾氣排放。氣泡減阻船的概念，20世紀(jì)60年代后，各國(guó)對(duì)怎樣鎖定氣膜進(jìn)行了深入研究，基本上形成了兩種思路。其一是在平底船上開(kāi)設(shè)一個(gè)凹進(jìn)船底的平面，四周用板材圍起來(lái)，在船底凹面內(nèi)通以壓縮空氣，使大部分氣體封存在船底，這類技術(shù)主要應(yīng)用在低速運(yùn)輸船上，如駁船、貨船和大型油船。另一種則是在船底下建立一個(gè)微型增壓氣室，以側(cè)壁式氣墊船的發(fā)展走向，達(dá)到高性能節(jié)能船型。20世紀(jì)80年代以來(lái)，前蘇聯(lián)、法國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、荷蘭等國(guó)建造了氣幕減阻技術(shù)高速船實(shí)艇并投入航運(yùn)。世界多國(guó)也相繼開(kāi)展了研究設(shè)計(jì)工作，但至今沒(méi)有實(shí)質(zhì)性突破報(bào)道。

2國(guó)內(nèi)減阻技術(shù)實(shí)況與思路形成

根據(jù)我們調(diào)查，國(guó)內(nèi)在氣泡減阻的試驗(yàn)方面做了大量研究。如武漢理工大學(xué)的王家楣、姜曼松、鄭曉偉、詹德新(2004)等人［1］［3］在一艘平底船模底部的首部和中部，分別通過(guò)多孔硅板噴氣生成氣泡，研究了不同噴氣形式、不同拖曳速度及不同噴氣量對(duì)減阻效果的影響。噴氣形式有三種，分別為:①僅在船底首部噴氣。②在船底首部和中部同時(shí)噴氣，且噴氣量相等。③在船底首部和中部同時(shí)噴氣，但首部噴氣量為70%、中部為30%。研究發(fā)現(xiàn):相同條件下，在船首和船中同時(shí)噴氣的減阻效果要優(yōu)于僅在首部噴氣的減阻效果，總減阻率最大可達(dá)32.8%;且當(dāng)首部噴氣量大于中部時(shí)，有利于增大氣泡在船模底部的覆蓋范圍，減阻效果更好;在相同拖曳速度和不同噴氣形式下，縱傾角隨噴氣量變化很小，可忽略其對(duì)總減阻率的影響。考慮到此實(shí)驗(yàn)效果及條件，本文以學(xué)校實(shí)驗(yàn)室與泳池作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所采用微型制氣泵制出空氣，利用節(jié)能環(huán)保耗能低的微型制氣泵制造氣流。產(chǎn)生的氣泡在船底形成的狀態(tài)決定了船體在水中運(yùn)行時(shí)所減少的阻力以及對(duì)效率的提升。在試驗(yàn)過(guò)程中采用肥大的平底船作為母船，建立物理模型，并進(jìn)行討論網(wǎng)格劃分或者平行劃分，設(shè)立邊界條件，選擇數(shù)值計(jì)算模型，并進(jìn)行船舶通氣氣泡減阻數(shù)值研究。通過(guò)外形改進(jìn)，探索適合我們團(tuán)隊(duì)的船舶外型及通氣孔隙的布置。在前面的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加工船舶模型，擬采用有機(jī)玻璃加工試驗(yàn)船舶模型，這樣便于觀測(cè)和降低模型加工成本，進(jìn)行穩(wěn)定性和動(dòng)力估算設(shè)計(jì)。試驗(yàn)擬在游泳池或水池進(jìn)行自由航行測(cè)試，設(shè)計(jì)不同動(dòng)力、航速及通氣參數(shù)，研究它們的自由航行規(guī)律，得到船舶的氣泡減阻性能。自主航行方面，本文采用對(duì)氣泡減阻技術(shù)對(duì)船舶自主運(yùn)行最直觀的影響方面———最大回轉(zhuǎn)半徑改變量的增減以確定氣泡減阻對(duì)船舶自主性能的影響。

根據(jù)以上得出氣孔位置的不同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響，網(wǎng)格形狀的氣孔會(huì)在氣流產(chǎn)生過(guò)程中，船體下表面會(huì)形成一層微氣泡氣幕，但是會(huì)帶來(lái)船底進(jìn)水損壞電機(jī)的情況。所以選擇在不同位置設(shè)置微型氣管，利用氣流產(chǎn)生的爆破式有效組織了水流進(jìn)入船體的問(wèn)題。對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，得出結(jié)論:在一定范圍內(nèi)，增大微氣泡入口速度、微氣泡入口濃度、微氣泡直徑大小時(shí)，都是因?yàn)樵龃罅司植康奈馀蒹w積分?jǐn)?shù)，才導(dǎo)致局部的摩擦阻力的減小，減阻效率的增大，達(dá)到增大速度的目的。而在通過(guò)了氣泡減阻之后船舶的最大回轉(zhuǎn)半徑明顯減小。

3影響船體運(yùn)行速度和船舶自主性變化的因素探究

3．1影響速度因素的實(shí)驗(yàn)猜想

為了確定氣泵制氣方法是否有效且能否達(dá)到最大減速效果，項(xiàng)目組成員做了以下猜想。1)氣泵電壓大小是否會(huì)影響船舶速度。2)通口數(shù)量多少是否會(huì)影響船舶速度。3)氣泵在船舶上的安裝位置是否會(huì)影響船舶速度。

3．2船舶自主性運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣泵減阻效果猜想

由于大多數(shù)船舶減阻模型實(shí)驗(yàn)采用方法限制，往往忽略了船舶在自動(dòng)化運(yùn)行中氣泡減阻對(duì)其的影響及規(guī)律，因此我們計(jì)劃通過(guò)對(duì)最能直觀表現(xiàn)船舶自主化性能的:最小回轉(zhuǎn)半徑的開(kāi)泵前，開(kāi)泵后數(shù)據(jù)變化進(jìn)行確定氣泡減阻對(duì)其的影響。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)測(cè)試船舶模型最小回轉(zhuǎn)半徑數(shù)值的變化確定了氣泡減阻對(duì)船舶自主化運(yùn)行的積極影響，并改變船底氣孔的位置與自主航行時(shí)是否進(jìn)行氣泡減阻，進(jìn)行對(duì)模型船航速與最大回轉(zhuǎn)半徑的測(cè)評(píng)，在改變氣泡入口速度、濃度等條件，得到了不同結(jié)果。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到增大局部的氣泡體積分?jǐn)?shù)是導(dǎo)致摩擦阻力減小的原因，此時(shí)減阻效率會(huì)增大，速度增快，且適用于船舶自主航行。實(shí)驗(yàn)是基于模型研究，與實(shí)際會(huì)有一定差異。基于此，根據(jù)所查閱的資料及對(duì)本文結(jié)果整合，可作為類似研究借鑒。

參考文獻(xiàn):

［1］王家楣，姜曼松，鄭曉偉，等．不同噴氣形式下船舶微氣泡減阻水池試驗(yàn)研究［J］．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，35(12)．

［2］王家楣，鄭曉偉，姜曼松．船舶吃水對(duì)微氣泡減阻影響的水池試驗(yàn)研究［J］．船舶工程，2004，26(6)．

［3］歐勇鵬，董文才，許勇．B．H．型氣泡高速艇規(guī)則波中縱向運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)造船，2010，51(3)．

［4］張艷．高速雙體船船型氣泡減阻試驗(yàn)研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2007．

［5］張艷，氣泡船節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用前景［J］．中國(guó)水運(yùn):下半月，2015(2)．

［6］程紅霞，倪其軍，刑圣德，等．人工氣泡船水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究［J］．船舶力學(xué)，2011(11)．89.

作者:付明琨 閔景新 卜祥一 楊浩 孟祥微 單位:哈爾濱商業(yè)大學(xué)