叶 青，董文才

（海军工程大学舰船工程系，武汉湖北430033）

95000DWT散货船喷气减阻模型试验研究

叶 青，董文才

（海军工程大学舰船工程系，武汉湖北430033）

为探讨气层减阻技术在大型低速运输船舶上的实施方法，在拖曳水池里开展了95000DWT散货船1∶38模型喷气减阻试验，研究了气流量、航速、排水量、凹槽深度对喷气减阻效果的影响规律。试验结果表明：在95000DWT散货船模型底部设置凹槽并喷气，模型总阻力大幅度降低。随着气流量增加，阻力降低幅度增大，存在一个饱和气流量：当Fr＝0.139～0.182时，随航速增加，减阻率呈降低趋势；凹槽深度增加，喷气减阻效果提高，但不喷气时凹槽会导致阻力增加，且阻力增加幅度随凹槽深度增加而增加，存在一个最佳凹槽深度（h／B＝0.024）；压载排水量减阻率高于设计排水量减阻率。凹槽深度20 mm，设计航速下，饱和喷气（Cq＝0.210）时，设计排水量下绝对减阻率可达26.99%，压载排水量下绝对减阻率可达33.79%。

肥大型船；气层减阻；气流量；航速；排水量；槽深；相对减阻率；绝对减阻率

探讨气层减阻技术在大型低速运输船舶上的实施方法，获得减阻效果显著的设计方案是该技术走向工程应用首先需要解决的关键问题。鉴于上述原因，在拖曳水池里开展了95000DWT散货船喷气减阻模型试验，探讨气流量、航速、排水量、凹槽深度等对喷气减阻的影响规律，寻求肥大船型大幅减阻的气层设计方案，以推动该技术在我国的实际应用。

1 试验简介

试验模型为一条95000DWT散货船，缩尺比为1∶38。该船是典型的肥大型船，具有大平底、长平行中体的特点。表1给出了模型的主尺度参数。表中LWL为设计水线长，BWL为设计水线宽，H为模型总高，Cm、Cb、Cp分别为舯剖面系数、方形系数和纵向棱形系数。ΔWL和TWL表示设计排水量和设计吃水，ΔBW和TBW表示压载排水量和压载吃水。图1给出了试验模型横剖线图，从船艉至船艏依次为0站至20站。

表1 95000DWT散货船模型主要参数Table1 The hull parameters of 95000DWT bulk carrier model

图1 模型型线图Fig.1 The body⁃plan of the test model

图2 船底凹槽设计示意图Fig.2 Sketch of the hollow

图3 水池中航行的试验模型Fig.3 The experimental model sailing in the tank

在模型底部设置人造凹槽，其纵向位置为：船艏18站前150 mm至船艉4站稍前处。凹槽总长4.32 m，总宽0.82 m，如图2所示。凹槽面积与船体平底面积之比为83.6%，与设计排水量下的船体湿表面积之比为37.3%。试验中模型底部凹槽深度变化4种，对应凹槽深度宽度比h／B分别为0.012、0.018、0.024、0.03。

试验在中国特种飞行器研究所高速拖曳水池完成，试验水池长510 m，宽6.5 m，水深5 m。阻力测量采用CSSRC⁃40型拉力传感器，量程为40 kg，精度为0.3%。升沉测量采用FWP⁃1.2拉线式位移传感器测量，量程1.2 m，精度0.2%。在水池底部布置水下摄像头，以捕捉喷气航行时底部凹槽内气层形态，图4给出了水下摄像头拍摄的船底凹槽气层形态照片。

图4 模型底部气层形态Fig.4 The air layer form under the bottom hull

2 试验结果及分析

2.1 不喷气静水阻力

图5、6给出了设计排水量、不同凹槽深度下，模型不喷气时单位排水量阻力和重心高度随速度的变化曲线。图7给出了压载排水量、不同凹槽深度下模型不喷气时单位排水量阻力变化曲线。其中，Rt／W表示单位排水量阻力；Zg表示重心高度变化，正值表示船体上抬。Fr为长度傅氏数，采用式（1）计算。

式中：V为模型速度，g为重力加速度。

同时，建议将滑坡区发现的裂隙(缝)等用粘土进行回填封闭，施工期应设站加强边坡变形监测，特别是汛期应加密观测。

图5 设计排水量下不喷气时的总阻力Fig.5 The hull resistance at designed displacement without air injection

图6 设计排水量下不喷气时的重心高度变化Fig.6 The height of center of gravity at designed displacement without air injection

图7 压载排水量下不喷气时的总阻力Fig.7 The hull resistance at ballasted displacement without air injection

由图5～7可以看出，随着航速增加，模型阻力、重心下沉量均增加。在模型底部开设凹槽后，阻力增加，且随凹槽深度增加阻力增加幅度增大，其原因主要是开设凹槽后导致模型形状阻力增大。Fr＝0.107～0.182时，h／B从0.012增大至0.03时，模型阻力相对光体状态下增加约10%～25%。

2.2 喷气减阻率

定义无因次气流量系数Cq、相对减阻率ηR、绝对减阻率ηa如下：

式中：Q为气流量，B为凹槽宽度，h为凹槽深度；R为模型设置凹槽、不喷气时的阻力；Ra表示模型设置凹槽、喷气后的阻力；R0表示不喷气时模型的光体阻力。

表2、3分别给出了h／B＝0.024时，模型设计排水量和压载排水量时，不同速度下减阻率随无因次气流量系数的变化。需要注意的是，相对调节气流量而言，改变航速较为方便，故开展试验时采用固定气流量变航速的方法，因此表2、3中，相同气流量时，随Fr增加Cq逐渐减小。

表2 设计排水量减阻率Table2 Resistance reduction rate at designed displacement

从表2、3中可以看出：设计航速Fr＝0.155下，模型设计排水量时相对减阻率最大可达44.33%，绝对减阻率可达32.70%；压载排水量相对减阻率最大可达51.46%，绝对减阻率最大可达39.51%。也可得知：气流量及航速对减阻率有较大影响。

表3 压载排水量减阻率Table3 Resistance reduction rate at ballasted displacement

2.3 气流量的影响

对不同凹槽深度下数据进行分析后发现，不同凹槽深度下，模型阻力和重心高度随航速、气流量的变化规律基本一致。为此，本文以槽深h／B＝0.024为例分析气流量及航速的影响规律。

图8 Fr＝0.155时阻力和重心高度随气流量的变化Fig.8 The effect of air flow rate on resistance at designed displacement for Fr＝0.155

图8分别给出设计排水量、航速Fr＝0.155时单位排水量阻力和重心高度随气流量的变化曲线。由图8（a）可知：两种排水量下，船底喷气均引起Rt／W减小；随气流量增大，Rt／W减小量增大，但存在一个饱和气流量，当Cq＞0.210时，减阻幅度趋于平缓。分析原因，主要是随着气流量增大，模型底部气层覆盖区域逐渐增加，当气流量达到饱和时，模型底部凹槽已经完全被气层覆盖，继续增大气流量，对减阻效果提高不大。

由图8（b）可以看出：随着气流量增加，船体重心下沉幅度减小，当气流量增大至Cq＝0.224时，船体上抬较为显著。这主要是气流量较大时，船底凹槽被气体完全充满，使得模型吃水减小。

2.4 航速的影响

图9分别给出了不同排水量和气流量下绝对减阻率随航速的变化。

图9 设计和压载排水量下绝对减阻率随速度的变化Fig.9 Absolute resistance reduction rate varies with speed at designed displacement and ballasted displacement

由图可知，模型速度增加，减阻率呈降低趋势。这主要时因为随着航速增加，摩擦阻力在总阻力中所占比例变小，因此减阻效果降低。由表2、3数据可知：设计航速下，取饱和气流量为Cq＝0.210时，设计排水量下绝对减阻率可达26.99%，压载排水量下绝对减阻率可达33.79%。同时，对比两种排水量减阻率，还可以发现，压载排水量减阻率高于设计排水量减阻率，这与两种排水量状态下摩擦阻力占总阻力比例有关。

2.5 凹槽深度对减阻率的影响

图10分别给出了设计航速时，设计排水量和压载排水量下绝对减阻率随无因次气流量系数的变化。可以看出：随着凹槽深度增加，绝对减阻率增大，减阻效果提高，但随着凹槽进一步增加，减阻效果提高趋势减缓；存在一个最佳凹槽深度，当凹槽深度大于最佳凹槽深度时，相对减阻率不增反减。从试验中观察可知，凹槽较浅时，气体较易从船体两侧逸出，增加凹槽深度有利于模型底部形成气层并使气层覆盖率上升，但是过大的凹槽深度带来的阻力增加会使减阻效果降低。综合考虑开设凹槽带来的阻力增加，试验模型最佳凹槽深度h／B＝0.024。

图10 设计和压载排水量不同凹槽深度绝对减阻率随无因次气流量系数的变化Fig.10 The effect of air flow rate Cqon absolute resistance reduction rate at different hollow depths at designed displacement and ballasted displacement

3 结论

1）在模型底部开设凹槽后，模型阻力增大且随凹槽深度增加，阻力增加幅度增大。

2）喷气后模型总阻力大幅度降低；随气流量增加，阻力降低幅度增大，存在一个饱和气流量，气流量达到饱和后，阻力降低趋于平缓。

3）随模型速度增加，减阻率呈降低趋势。

4）随凹槽深度增加，喷气减阻效果提高；存在一个最佳凹槽深度，当凹槽深度大于最佳凹槽深度时，减阻效果不增反减。综合考虑开设凹槽带来的阻力增加，试验使用模型最佳凹槽深度为h／B＝0.024。 5）压载排水量减阻率高于设计排水量减阻率。

6）凹槽深度20 mm时，设计航速饱和喷气（Cq＝0.210）时，设计排水量下绝对减阻率可达26.99%，压载排水量下绝对减阻率可达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.船舶薄层气膜减阻技术的试验和应用［J］.中国造船，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.减阻稳定气穴形成与控制理论和试验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

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

［10］程红霞，倪其军，邢圣德，等.人工气泡船水动力性能试验研究［J］船舶力学，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］张郑.低速肥大船型气幕减阻研究［D］.武汉：武汉理工大学，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.网络出版时间：2014⁃11⁃07.

工信部高技术船舶科研资助项目（［2011］530）.

叶青（1985⁃），男，助理工程师；

董文才（1967⁃），男，教授，博士生导师.

董文才，E⁃mail：haigongdwc＠126.com.