國內(nèi)外船舶氣體減阻技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

徐天南

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所 上海200092）

0 引 言

船舶阻力主要包括摩擦阻力、興波阻力以及黏壓阻力，在肥大型船舶上，摩擦阻力通常占據(jù)了主要部分。摩擦阻力產(chǎn)生于船舶行進(jìn)時(shí)水與船體表面之間的黏著作用，以貨船估算，其占整體阻力的60%~70%；以油輪估算，其占整體阻力的80%左右。因此，如何有效減阻始終是造船界的關(guān)注重點(diǎn)。

減少船舶阻力的主要方法：一是船型優(yōu)化設(shè)計(jì)，如利用球鼻艏以及壓浪板等設(shè)計(jì)可以減少興波阻力；二是改變船體浸濕表面的屬性，如在船體表面涂有高性能疏水性涂料、增加表面活性劑以及氣體減阻等可以減少摩擦阻力［1］。隨著能源與環(huán)境污染等問題日益凸顯，國際海事組織不斷制定和出臺船舶各項(xiàng)強(qiáng)制性規(guī)定，如船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）、防污染公約（MARPOL）等，使船舶在追求更高能效的同時(shí)，又必須滿足防污染的要求［2］。因此，氣體減阻技術(shù)得到航運(yùn)界的廣泛關(guān)注。

氣體減阻發(fā)展至今，其效果在實(shí)船試驗(yàn)中已得到很好的驗(yàn)證。本文根據(jù)氣體減阻的技術(shù)原理與表現(xiàn)形式的不同，將其分為氣泡減阻與氣層減阻兩類，并分別介紹了技術(shù)原理、氣泡發(fā)生方式以及商業(yè)化實(shí)船應(yīng)用，同時(shí)就各氣體減阻技術(shù)在應(yīng)用中所需注意的問題作了進(jìn)一步探討。

1 氣體減阻技術(shù)簡介

1.1 氣泡減阻技術(shù)原理

氣泡減阻，又稱微氣泡減阻，是指通過氣泡發(fā)生裝置，在船體底部形成一定微小體積的氣泡，大量的氣泡在船底聚集形成氣液兩相混合流，從而減小船體周圍水的密度、黏性以及湍流流動結(jié)構(gòu)，達(dá)到減阻效果，如圖1所示。

圖1 氣泡減阻示意圖

氣泡減阻的影響與多種因素有關(guān)，如氣體注入速率、氣體注入位置、氣泡大小與形狀、氣泡分裂與聚合、流速和表面構(gòu)造等［3］。兩相湍流流動非常復(fù)雜，迄今為止微氣泡減阻機(jī)理還沒有完善的理論解釋［4］。目前認(rèn)為，微氣泡減阻的基本原理是微氣泡改變氣液兩相流的局部有效黏度和密度以及流體在壁面邊界層的流動結(jié)構(gòu)，從而降低液體湍流摩擦阻力的作用。

1.2 氣層減阻技術(shù)原理

氣層減阻技術(shù)主要方式有兩種：一種是在船底開設(shè)多個(gè)氣泡噴射孔以形成空氣層，這種技術(shù)的關(guān)鍵在于控制空氣噴量使氣泡在船底形成穩(wěn)定空氣層的效果，又稱為氣膜減阻，如圖2（a）所示；另一種則是在船體底部設(shè)計(jì)有若干或一個(gè)較大凹槽，凹槽中填充以一定量的空氣［3］，稱為氣腔減阻，如圖2（b）所示。氣腔減阻技術(shù)是氣體減阻技術(shù)與氣腔船的結(jié)合，通過在船體底部構(gòu)建大型氣腔結(jié)構(gòu)，通以一定量的空氣形成穩(wěn)定的氣層，從而將部分船底表面與水隔開，達(dá)到減阻效果。

圖2 氣層減阻示意圖

有關(guān)研究結(jié)果表明，向凹槽中噴氣，可形成穩(wěn)定的長氣穴，凹槽形式對長氣穴的形成影響不大；凹槽深度主要影響不噴氣時(shí)的阻力，噴氣形成長氣穴后，凹槽深度對阻力的影響不大［5］。

1.3 氣泡發(fā)生方式

無論氣泡減阻還是氣層減阻，終究以氣泡的形成為基礎(chǔ)，目前從氣泡的發(fā)生方式可分為電解法、多孔板法以及傾斜板氣泡法。其中以多孔板法最為常見。

1.3.1 電解法

微氣泡減阻的方法被首次發(fā)現(xiàn)是利用電解的方法。將1個(gè)銅線圈纏繞體在完全浸沒在水中，利用電解產(chǎn)生氫氣氣泡，并對浸沒體阻力測量，結(jié)果顯示氫氣氣泡對減阻十分有效［6］。原理圖如下頁圖3所示。

圖3 氫氣微氣泡發(fā)生器原理圖

1.3.2 多孔板法

多孔法是最簡單常用的方法。它是將壓縮空氣通過多孔（縫）噴入船體底部外的水中形成氣泡流［3］。下頁圖4是多孔介質(zhì)的微氣泡產(chǎn)生原理。

圖4 多孔板發(fā)生微氣泡的原理圖

1.3.3 傾斜板法

傾斜板法的基本構(gòu)成為空氣引入管、翼。如圖5（a）所示，結(jié)構(gòu)簡單。基本原理是當(dāng)水流通過翼時(shí)，由于翼具有一定傾斜角度，在水與空氣接觸面形成一定的負(fù)壓，負(fù)壓的大小取決于翼周圍的水流速、翼的形狀、角度以及翼與板之間的距離等因素［3］。負(fù)壓將水面上的空氣吸入，空氣與水混合后穿過翼，在下游氣泡破裂形成大量小氣泡，如圖5（b）所示。

圖5 傾斜板發(fā)生微氣泡圖

1.3.4 各氣泡發(fā)生方式對比

（1）電解法在實(shí)船中應(yīng)用較少。由于需將電極浸沒在水中航行，且需要大量的電極才能產(chǎn)生足量的氫氣氣泡，相比于其他兩種方法，電解法成本過高。

（2）微氣泡減阻中，實(shí)船應(yīng)用較廣的為多孔板法以及傾斜板法。多孔板法用法較簡單，只需配置1 mm直徑的多孔板至船底，即可產(chǎn)生大量微氣泡，較傾斜板法更為簡單且氣泡大小可控。

（3）傾斜板法適用于非平底結(jié)構(gòu)，較多孔板法加裝更為靈活。在不超過一定的吃水深度下，無需啟用空壓機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)，通過船舶的航行即可將空氣通過負(fù)壓壓入翼結(jié)構(gòu)中；但如果超過一定的吃水深度，負(fù)壓較水壓相比較小，此時(shí)需開啟空壓機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣輸送。

2 實(shí)船應(yīng)用

2.1 氣泡減阻應(yīng)用

目前國內(nèi)對氣泡減阻技術(shù)尚處于研究階段，未進(jìn)行實(shí)船應(yīng)用，而國外對氣泡減阻技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的實(shí)船應(yīng)用，統(tǒng)稱為空氣潤滑系統(tǒng)（ALS），現(xiàn)階段主要的機(jī)構(gòu)為Silverstream、Mitsubishi和Airglide。

Silverstream空氣潤滑系統(tǒng)原理是在船底布置10~18個(gè)空氣釋放單元（ARUS）（ARUS個(gè)數(shù)及布置取決于船型和大?。?，利用空壓機(jī)將壓縮空氣通過管路分別排出到空氣釋放單元中，從而形成微氣泡分布在船體底面，如圖6所示。首個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用到40 000載重噸油輪的翻新上；2014年該系統(tǒng)應(yīng)用于MT Amalienborg，使該船在滿載吃水線7~11 m的情況下，速度達(dá)到10~15 kn，凈能量節(jié)省5%以上，性能由LR船級社、HSVA公司、Shell以及Southampton University分別認(rèn)證。隨后Silverstream將氣泡減阻系統(tǒng)安裝到新造的163 000總噸的Norwegian郵輪上，2016年在邁爾船廠建造的Norwegian Joy以及2017年的其他翻新郵輪上也均有應(yīng)用。

圖6 Silverstream氣泡減阻系統(tǒng)圖

該技術(shù)在郵輪上的應(yīng)用被證明在吃水8~9 m下，航速10~25 kn下，凈能量能節(jié)省5%以上［7］；2016年Silverstream發(fā)布了一項(xiàng)空氣潤滑系統(tǒng)性能認(rèn)證報(bào)告，報(bào)告再一次證實(shí)其空氣潤滑系統(tǒng)的有效性［8］，隨后在2018年~ 2020年間獲得各船東青睞，Grimaldi、Finnlines以及Shell等巨頭均在Ro-Ro以及LNG系列船中應(yīng)用空氣潤滑系統(tǒng)，其中Grimaldi旗下 名為Eco Valencia的Ro-Ro船 在運(yùn)用該系統(tǒng)后節(jié)省了5.1%的燃油與排放［9］。

近年來，我國也開始加強(qiáng)合作，2019年滬東中華與Silverstream開展了氣泡減阻在LNG船上的技術(shù)合作，并簽署了諒解備忘錄［10］。2020年威海船廠與友聯(lián)船廠也分別在RoPax與VLOC上與Silverstream展開了技術(shù)合作［11］。

Mitsubishi的空氣潤滑系統(tǒng)（MALS）原理是在船底部布置3個(gè)空氣釋放單元，具體布置如圖7所示。由3個(gè)空氣釋放單元噴出微氣泡在船底部形成 微 氣 泡 層［12］。2010年4月，Mitsubishi完 成 了NYK-Hinode Line公司的YAMATAI號模塊運(yùn)輸船，該船也是世界上首個(gè)新造船安裝的Mitsubishi氣泡減阻系統(tǒng)。在實(shí)船試驗(yàn)中，氣泡減阻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大于10%的節(jié)能效果。同年12月，Mitsubishi完成了YAMATAI的姐妹船YAMATO，同樣采用了Mitsubishi氣泡減阻系統(tǒng)［13］。4年后，姐妹船保養(yǎng)時(shí)，氣泡減阻系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。2016年以及2017年，Mitsubishi將其氣泡減阻系統(tǒng)安裝到了2艘AIDA郵輪上，但目前尚未公布郵輪的減阻效率。

圖7 Mitsubishi氣泡減阻系統(tǒng)圖

Airglide是Shipwright旗下空氣潤滑系統(tǒng)產(chǎn)品的品牌。其由Shipwright公司專業(yè)的CFD模擬團(tuán)隊(duì)以及專業(yè)的BLT實(shí)驗(yàn)室提供技術(shù)支持。Shipwright具有強(qiáng)大的研發(fā)能力，也為IMO組織提供相關(guān)的數(shù)據(jù)研究技術(shù)支持。Shipwright也為三大主要郵輪公司均供應(yīng)過氣體減阻系統(tǒng)產(chǎn)品，但由于保密原則，詳細(xì)數(shù)據(jù)未能公開。

2.2 氣層減阻應(yīng)用

國內(nèi)研究氣層減阻技術(shù)的主要有上海輕航氣膜減阻船舶有限公司以及中船重工702研究所，國外是荷蘭DK 集團(tuán)。

上海輕航的氣層減阻技術(shù)為上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，獲得國家專利。［14］在船長72 m的1 000 t駁船、185 m的35 000 t貨船以及122 m的424標(biāo)準(zhǔn)箱沿海集裝箱船上分別加裝氣層減阻系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)節(jié)能15.2%、13.5%以及4.75%。

702研究所自主研發(fā)的氣層減阻技術(shù)具有國家專利，其自主設(shè)計(jì)研制1艘百噸級氣膜減阻原理樣船，已在95 000載重噸的散貨船（1 ： 10縮尺比，最大排水量114 t）上應(yīng)用，在適用航速范圍內(nèi)，典型節(jié)能效果18%；設(shè)計(jì)吃水、設(shè)計(jì)航速下節(jié)能效果在11%以上（圖8）。在中國長航集團(tuán)的長航洋山2號400 TEU敞口集裝箱船（滿載排水量9 100 t）上得到國內(nèi)首次實(shí)船應(yīng)用，并獲得成功。改裝后的“長航洋山2”經(jīng)首次實(shí)船測試，氣體減阻裝置的綜合節(jié)能效果可達(dá)7%以上［15］（圖9）。

圖8 95 000載重噸氣層減阻原理樣船

圖9 長航洋山2號400標(biāo)準(zhǔn)箱敞口集裝箱船

荷蘭船舶氣腔系統(tǒng)（ACS）技術(shù)開發(fā)商DK集團(tuán)將具有專利技術(shù)的ACS系統(tǒng)成功地在1艘超大型油輪（VLCC）上進(jìn)行相關(guān)測試，測試結(jié)果顯示降低了15%的燃油消耗量［16］。后與丹麥船東Dannebrog集團(tuán)達(dá)成協(xié)議，為1艘12 580載重噸多用途貨物船提供ACS系統(tǒng)。

2.3 技術(shù)總結(jié)

國內(nèi)外氣體減阻技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用情況差距較大，以國外Silverstream公司的微氣泡減阻應(yīng)用最為廣泛，減阻效果也獲得船級社等權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，目前應(yīng)用情況良好。本文根據(jù)各氣體減阻技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合Silverstream公司的實(shí)船應(yīng)用，對兩種氣體減阻技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，具體如下：

（1）氣泡減阻與氣層減阻均需要一個(gè)較平坦、較寬的船底面，保證氣泡的穩(wěn)定，減小逸出量。尤其是氣層減阻，可能還需在船體底面搭建部特殊結(jié)構(gòu)，以形成一個(gè)氣腔來存儲空氣。因此，微氣泡減阻相對更靈活，無需改裝船底結(jié)構(gòu)，更適合于翻新船的氣泡減阻系統(tǒng)的安裝。

（2）在航行過程中，利用氣層減阻技術(shù)，空壓機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)無需長時(shí)間運(yùn)行，只需一次補(bǔ)氣后關(guān)閉，待船體底部氣層中傳感器給出補(bǔ)氣信號，才重新啟動空壓機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣。而微氣泡減阻技術(shù)在船底無存儲氣泡的結(jié)構(gòu)，因此，在整個(gè)航行過程中，需要一直啟用空壓機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生微氣泡。

（3）氣泡減阻是在船體底部形成氣液兩相流，氣層減阻是在船體底部形成氣膜將船底與水隔開，理論上氣膜減阻效率更高，目前從實(shí)船的第三方認(rèn)證結(jié)果上也能得到一定的驗(yàn)證。但值得注意的是，在選取空氣潤滑減阻系統(tǒng)之前，應(yīng)進(jìn)行全局的成本估算，即平衡氣泡發(fā)生裝置的能耗量、系統(tǒng)的成本與維護(hù)成本以及減阻節(jié)省的能耗等之間的成本關(guān)系。其中，氣體減阻的節(jié)能指標(biāo)不能只是單一從摩擦減阻的效果來看，而是要綜合船舶全部能耗。

針對該系統(tǒng)節(jié)能效果的評估，CCS頒布了《船舶空氣潤滑減阻系統(tǒng)檢驗(yàn)指南》，為裝有空氣潤滑減阻系統(tǒng)的船舶提供了EEDI計(jì)算方法和驗(yàn)證指導(dǎo)。

（4）無論是氣泡減阻還是氣層減阻，當(dāng)氣泡經(jīng)發(fā)生裝置噴出，在船體底部擴(kuò)散或在氣腔中泄露時(shí)，隨著船舶航行將有可能進(jìn)入船體尾部區(qū)域。

根據(jù)Mitsubishi對長崎船廠建造的雙槳運(yùn)輸船YAMATAI的仿真與試驗(yàn)，結(jié)果表明：氣泡沿船底向螺旋槳上方流動，對螺旋槳的影響可忽略不計(jì)［12］。Kawakita［17］用雙槳運(yùn)輸船模型進(jìn)行靜水與波浪下的氣泡減阻試驗(yàn)，結(jié)果表明在靜水直航中，進(jìn)入螺旋槳區(qū)域的氣泡可以忽略不計(jì)；但在斜航或波浪中，氣泡會流入螺旋槳上方引起螺旋槳的脈動壓力的變化，造成一定的影響。賈鄭銘等［18］進(jìn)行了不同噴氣形式對船舶微氣泡減阻效果的數(shù)值模擬研究，得出首中部同時(shí)噴氣的減阻效果最好，同時(shí)隨著中心射流比例增加，微氣泡的體積分?jǐn)?shù)增加，影響了螺旋槳的推進(jìn)效率，因此，必須平衡減阻率與螺旋槳推進(jìn)之間的效率取最優(yōu)解。

2016年Silverstream的產(chǎn)品認(rèn)證報(bào)告［8］作出結(jié)論：根據(jù)船體與螺旋槳檢測，氣泡層對螺旋槳沒有空泡損傷的風(fēng)險(xiǎn)，對船體及船底防污層也不存在侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對于空氣潤滑系統(tǒng)對螺旋槳的損傷問題尚無準(zhǔn)確的定論。當(dāng)混有氣體的水流進(jìn)入螺旋槳的功能區(qū)，會對螺旋槳產(chǎn)生一定的影響，且與船型、噴氣的位置與速率、氣泡體積分?jǐn)?shù)以及船舶航行狀態(tài)等多種因素有關(guān)。因此，氣體減阻技術(shù)對螺旋槳的影響還需進(jìn)行深入研究。

3 結(jié) 語

氣體減阻技術(shù)概念的提出至今已有幾十年，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于高速艇以及低速肥大型船舶上。國內(nèi)研究起步相對較晚，造成該項(xiàng)技術(shù)國內(nèi)外商業(yè)化程度的明顯差異，因此，我國必須進(jìn)行深入研究，同時(shí)加大推廣力度，在借鑒國外成熟技術(shù)的同時(shí)，還應(yīng)考慮各氣體減阻技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用所需考慮的問題，對船體的穩(wěn)性、耐波性以及推進(jìn)效率等方面進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，對各方面成本進(jìn)行綜合權(quán)衡評估，從根本上制定經(jīng)濟(jì)可行的空氣潤滑減阻方案。