微气泡减阻机理及其应用的基础研究
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
１１１ｅ ｍａｊｏｒ ｐａｒｔ ｏｆ ｓｈｉｐ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｓ ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｉｔｓ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｂｉｇ ｃｈａｌｌｅｎｇｅ ｔｏ ｓｈｉｐ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ．Ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ ａｒｅ ｏｎｅ
题，其研究成果对于潜艇等水下航行体的减阻、增速、节能、机动、提高战斗力 等军事技术的发展具有相当的实际意义。
第一章绪论
１．２微气泡减阻研究的历史
国外学者旱在１８世纪就开始研究在船体和水之间注入一层空气，减少表面阻 力。但由于气液交界面的不稳定性，这种设想在实际中难以应用。微气泡减阻就 是基于这种设想产生出来的。ＭｃＣｏｒｍｉｃｋ．和Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙｙａｌ２１在１９７３年用电解方法 在潜体上产生氢气泡，发现氢气泡在低雷诺数下减阻非常有效。在这个先驱试验
其次，本文详细总结了微气泡减阻机理的理论研究成果及相关的数学模型， 提出了今后微气泡控制湍流边界层减小摩擦阻力的理论研究方向和建立全面的 湍流模型的必要性。并采用气液两相流动简单模型进行微气泡降低平板阻力的计 算，计算结果得出较大的减阻。
最后讨论了微气泡减阻在实船上应用的可行性、现状和前景，对微气泡减阻 的净减小量进行估算并介绍了微气泡在江河驳船和双体高速艇上的具体应用。
天津大学 硕士学位论文 微气泡减阻机理及其应用的基础研究 姓名：王震 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：黄衍顺
20021201
中文摘要
船舶阻力的主要部分是摩擦阻力。因此，减小摩擦阻力对于船舶流体动力学 研究者是一个巨大的挑战。微气泡注入法是减小摩擦阻力的一种可行方法。
本文介绍了微气泡减阻的研究现状，详细阐述了平板、轴对称体以及长尺度 船模的微气泡减小摩擦阻力试验，并分析了影响微气泡减阻效果的两个主要因 素：气泡尺寸和空隙率。
ｏｆｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ． Ｆｉｒｓｔｌｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａｌｌ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ
ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ．Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ ｆｏｒ ｆｉａｔ ｐｌａｔｅ，ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｓｈｉｐ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｓｔａｔｅｄ
随着计算机性能的提高，数值模拟流体流动得到广泛的应用。气泡流的数值 模拟考虑了气液项之间的相互作用，为阐明微气泡减阻机理提供很大方便。 Ｓｕｇｉｙａｍａ，ｋａｗａｍｕｒａ等（２００１）１２０］提出几个模拟方法，分别考虑了气泡表面滑流速 度、气泡流可压缩性、密度波动和气泡变形等效应，并讨论这些效应对减阻的影
水上运输在世界贸易中占有相当大的比重，减小船舶的能源消耗也是非常重要
的。减小船舶阻力，提高航行速度已势在必行。
装载原油、矿石和谷物的船舶，弗汝德数
较小，船舶的主要阻力成分中粘性阻力占很大
的比例。图１一ｌ给出了一艘ＶＬＥＣ在不同航速
下的阻力成分（Ｌａｒｓｓｏｎ ａｎｄ Ｂａｂａ，１９９６）“Ｊ，满
载时，船舶的兴波阻力接近于０。另外，船舶
ｐｌａｔｅ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ
ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ． Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｆｕｒｔｈｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＩｎｔｅｌＴｌａＩ Ｒｅｓｉｓｔａｉ３ｃｅ
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图２—１ ＭｃＣｏｒｍｉｃｋ试验模型和结果
全潜回转体减阻试验研究的结果显示通过电解产生氢气泡可显著减小摩擦 阻力。这些气泡倾向于扩大层流边界层中的速度分布图，破坏层流内层和改变湍 流边界层的动量传输，从而减小摩擦阻力。另外，减阻还取决于阴极在模型上的 缠绕型式，最佳的型式是阴极的前导缠绕的导线位于边界层过渡的下游并且在伸 展到整个湍流边界层下。
电解作用的试验使用的阴极是直径为６ｒａｉｌ的铜线，铜线的电阻大约为 ５．７Ｑ／ｆｔ；阳极引线连到拖车支架上，使池壁成为阳极。整个回路的电阻约为５０Ｑ 或更大一些。铜线（阴极）在模型上成螺旋状缠绕，通过阴极的电流在模型表面 的边界层下产生氢气泡。试验在美国海军军官学校的拖曳水池进行，水池长８５ 英尺，宽６英尺，水深４英尺，最大拖行速度２．５棚／Ｊ。在３英尺的模型（最优 外形）上测量得到的总阻力取决于拖行速度和电流（或者单位时间电解作用产生 的氢气量）。试验模型和结果如图２—１所示，速度变化作为参变量，给出了有 无气泡时阻力系数比随电流的变化的关系曲线。此研究的～个显著结论是：保持 其它参数固定不变，较高电流（产生较多气泡）意味着出现更大的减阻，产生最 大减阻为５０％。
自重为４００００吨的超大型油轮在３００００ｋｗ的柴油机驱动下能以１５节的速度航行。
为了便于理解，我们将所有的数据除以１０００００。一艘自重０．４吨的油轮在载油
２．８吨时能以１５节的速度航行，换句话说，能用０．３ｋｗ的动力以２７公里／ｄ，时
的速度航行。与汽车等其它运输工具相比较，船舶消耗的能源要小的多。但由于
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｆｕｌｌ—ｓｃａｌｅ ｓｈｉｐ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｎｅｔ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ ｉｓ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｂａｒｇｅ ａｎｄ
之后，Ｂｏｇｄｅｖｉｃｈｅｔａｌ．１９７７１３］，Ｍａｄａｖａｎ ｅｔａｌ．１９８４［４］，１９８５１孔，Ｍｅｒｋｅｌ ｅｔａｌ．１９８６【６１， Ｔｏｋｕｎａｇａｌ９８６［７１，Ｋａｔｏ（加藤洋治）ｅｔａｌ．１９９４ｆ讣，Ｇｕｉｎｅｔ ａ１．１９９６ｔ９１，Ｔａｋａｈａｓｈｉ（高 桥孝仁）ｅｔ ａ１．１９９７【１０】，Ｗａｔａｎａｂｅ（渡边修）ｅｔａｌ．１９９８［１ｌＪ，Ｋｏｄａｍａ（见玉良明）
ｂｒｉｅｆｌｙ ａｎｄ ｔｗｏ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ，ｂｕｂｂｌｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｖｏｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ
ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．
Ｔｈｅｎ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｎｄ
迄今为止微气泡减阻机理还没有完整的理论解释。一个最简单的解释是由气 泡有效粘性的增加导致雷诺应力的减少，从雨导致速度分布的变化以及壁面附近 速度梯度的减小。Ｌｅｇｎｅｒ（１９８４）［Ｉ ４】结合湍流的混合长度模型和气液混和流的粘度 效应模型，提出一个简单的剪切应力模型，指出减阻是密度减小和湍流边界层改 变的结果。Ｍａｄａｖａｎ等（１９８５Ａ）［１５］在假定水和气泡混合物的粘度符合Ｅｉｎｓｔｅｉｎ公式 的情况下计算了表面摩擦阻力，模拟注入微气泡减小表面摩擦阻力现象。 Ｍａｒｉｅ（１９８７）Ｄ６］提出了一个模型，指出由于微气泡的存在导致粘性内层的增加。 Ｙｏｓｈｉｄａ等．Ｌ．（１９９７【１７】，１９９８［Ⅲ，１９９８Ａ［１９】）提出一个新的模型并精确计算了作用 在气泡上的力，也就是作用在壁面上的力。他们的模型与日本的东京大学及石川 岛播磨重工业株式会社的试验结果较好吻合，但是这些模型对于完全解释微气泡 减阻的机理过于简单，因为它们都忽略了气体项和液体项之间的质量、动量和能 量的交换。
１蠡广—百々ｒ—飞古ｒ ｕ／，／磊
图１—１
法避免边界层分离，以达到减阻的目的：第二类是通过改变边界层的内部结构，
亦即改变附壁区流动的运动学和动力学特性，达到减阻的目的。该类方法有高分
子溶液注入法、微气泡注入法、微气泡和高分子溶液混合注入法、柔性边壁法、
肋条减阻法等，其中微气泡注入法最为引人注目。
利用微气泡注入法减少潜体摩擦阻力是一项国防建设和科技发展的重要课
ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｃａｔａｍａｒａｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ
Ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ Ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
Ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ
Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ
Ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ
第…章绪论
第一章绪论
１．１前言
所有的运输工具中船舶是最节约能源的。例如：一艘载重吨为２８００００吨，
第二章微气泡减阻试验研究
第二章微气泡减阻试验研究
２．１微气泡减阻试验
２．１．１电解作用产生氢气泡减小潜体阻力的试验
ＭｃＣｏｒｍｉｃｋ ａｎｄ Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙｙａ（１９７３）”】用电解方法在回转体上产生氢气泡。 虽然结果受到几何尺度效应和气泡产生扰动的影响，但仍观察到减阻。与其它的 微气泡试验观察到的气泡尺寸相比，这个试验的气泡尺寸相当大（约为５０／．ａｎ）。
ｒｅｌｅｖａｎｔ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｆｕｔｕｒｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ
ｄｒａｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｙ ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅ ａｎｄ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ
国内外船舶气泡减阻技术的研究与应用
设计与研究
国内外船舶 气泡减 阻技术 的研究 与应用
胡 以怀 ， 李 慧 晶 ，何 浩
（ 上 海海 事 大学 商船 学院 ，上 海 ２ ０ １ ３ ０ ６ ）
摘要 ：介 绍国 内外船舶气泡减阻技术的研究情况，包括微气 泡减 阻技术 、气幕减阻技术及气膜减 阻技术 的试验研
究和理论计算结果 ，特别是俄罗斯倾斜板气泡减阻技术 、日本微气泡减阻技术和我 国薄层气膜减 阻技术 的特 点。 同时 ，介 绍国内外微气 泡减 阻理论方面的力学模型、数值计 算方法和重要结论 。回顾 ２ ０ 世纪 ６ Ｏ年代 以来气泡减 阻技术在船舶上的应用情况 ，特 别是俄罗斯、 日本及丹麦等 国设 计的气泡减 阻船舶 的性 能和 节能效果。针对我 国 目前气泡 减阻节能技术在实船上的应用现状，分析存在 的问题和不足 ，探讨我 国船舶气泡减 阻技术 的应用前景 。 关键 词 ：微气泡减阻；气膜减阻 ；气幕减阻；船舶节能 中图分类号９ ５ ． ４ ０ ６ ９ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ６ — ０ ０ ０ １ — ０ ６
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｆ ｏ ｒ ｅ ｉ ｇ ｎ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｗｏ ｒ ｋ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｐ ｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅ ｄ ｒ ａ ｇ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ， ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅ ｄ ｒ ａ ｇ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ，ｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅ ｃ ｕ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｄ ｒ ａ ｇ
基于大涡模拟的槽道微气泡减阻数值模拟
分 。大 尺度结 构 可 直接 从 平 均 流 中获 取 能 量 ， 而
平 均流反 过来 又 受 到大 尺 度 结构 的强 烈 影 响 ， 所 以大尺度 结构要 通 过数值 求解微 分方 程得 出 。对 于 小尺 度而言 ， 由于认为 其运 动是 随机 的 ， 与边 它
到 的流动 问题 的本质 。 目前 已经建 立 了大量 的槽 道湍 流 流 动 试 验 测 量 ２ 直 接 数 值 模 拟＿ 和 ３ （ Ｎ ） 据库 ， 研 究 近壁 湍 流 流 动 和检 验 新 的 Ｄ Ｓ数 为 数值 方 法 提 供 了 良好 的 条 件 。微 气 泡 减 阻 是 通过 将气 泡喷 射到 边界层 里形 成微 气泡 的减 阻技 术 。这项 技术 能 够 有效 减 阻 ， 船 舶水 动力 方 面 在 具 有极 大 的应 用价 值 。微 气 泡 的射 人能 够有 效地 减 小所 在 区域 的液 体粘 性 ， 且 可 以改 变 近壁 区 而 域 的湍 流 结 构 ， 而 达 到 减 小 壁 面 阻 力 的 作 用 。 从 近年来 ， 随着 计算 机水平 的不 断提 高 ， 们提 出了 人 新 的湍 流数值模拟 ， 中包括直接数值模 拟和大 涡 其
不足 的问题 ， 是把 大涡 数 值模 拟尽 早 用 于 工程 流
动模拟 的关 键 。
目前 ， 国内外 很 多 学 者正 在 研 究 通过 改 变 界
１ 大 涡 模 拟
大涡 模 拟 是 由气 象 学 家 ｓｍ ｏｉｓｙ９３年 ａ ｇｒ ｋ１６ ｎ
提 出 的 ， 介 于 Ｒ Ｎ ｒｎ ｌ ｖｒｇ ｎｖｅ 是 Ａ Ｓ（ ｅｏｄ ｅａｅ ａｉ ａ ｒ ｄｏ ｅ）和 Ｄ Ｓ ｄｒｃ ｎ ｍ ｒ ａ ｓ ｕａｉ ） 间 ｔ ｓ ｋ Ｎ （ ｉ ｔ ｕ ｅｉ ｌ ｉ ｌｔ ｎ 之 ｅ ｃ ｍ ｏ
关于气体润滑减阻若干问题的讨论
一
、
引言
断 阶 等 ）使 水 流在 船 底 的低 压 区 离 体 ， 同时 注 入 气 体 ，产 生
化现 象 ，形 成 大 的 使 船 底 与水 隔 离 的 气 泡 ，减 少 船 体 浸 湿
（ ） 气 腔 减 阻
三 、气 膜 厚 度 计 算公 式 的 由来 文 献 ｌ并 未 说 明气 膜 厚 度 计 算 公 式 的 由 来 ，本 文 根 据 静 ５ 稳 态 情 况 下 气 体 的 受 力 分析 ， 分析 该 公 式 的 由来 。 对 于 水 下 船 底 平 面 上较 大 的气 泡 ， 由于 受 到 水 的 Ｊ 、 玉力 水 表 面 张 力 以 及 船 底 板 的 共 同 作 用 ，在 静 稳 态 情 况 Ｆ，气 泡
第 １ ２卷
２１ Ｏ ２年
第 ３期
３ 月
中 国
水
运
Ｖ １ ｏｌ ２ Ｍ Ｃｈ ａｒ
Ｎ ３ ｏ
Ｏ ｎａ ｈｉ Ｗａ ｔｅｒ Ｔｒ ｓｐ ｔ ａｎ ｏｒ
２０１ ２
关于气体润滑减阻若干 问题的讨论
王 丽 艳 ，何 术 龙
（ 国船 舶 科 学 研 究 中心 ， 江 中 无锡 ２ ４０ １ ０ ０）
将 被压 成迮 续 分 布 的 扁 平气 膜 。气 膜 受 到 的 水 的 表 面 张 力 的 方 向 与液 面 相 切 ， 垂 直 于 两相 流 的 分界 面 ，图 ２ 明 了三 种 并 说 小 同 液 面情 况 下受 到 的表 面张 力 。 于 冈２ （ ）的 水 、液 面 ， 对 ａ ｆ ， ：
局部通气空泡尾部微气泡流减阻仿真研究
ａ ｘｓｍｍｅｒ ｂｅ ｔ ｈ ｎ ｓｍｕａｉｎ ｎ ｂ ｂ ｌ ｏ ｒａｅ ｙｐ ｒｉｌ ｅ ｔａｅ ａ ｉ ｒ ｍｐｅ ｎ ａ ｉｙ ｔ ｃｏ ｊｃ．Ｔ ｅ ｉ ｌｔ ｓｏ ｕ ｂｙｆ ｗ ｃｅ ｔｄ ｂ ａｔ ｎｉ ｔｄ ｃ ｖｔ ｗｅｅｉ １． ｉ ｏ ｌ ａｖ ｌ ｖ
—
ｒｅ ｕ ａ ｅ ｎ ａ ｌｒａ Ｅｕ ｅ ｉ ｎ ｔ — ｕ ｄ ａ ｒ ａ ｈ Ｔｈ ａ ｅ ｋ ｇ ｄ ｌｒ ｓ ｌｅ ｒ ｍ ｈ ｅ ｉ ｄ ｏ ｔｂ ｓ ｄ ｏ ｎ Ｅｕ ｅ ｉｎ— ｌ ｒａ ｗｏ ｆ ｉ ｐｐ ｏ ｃ ｌ ｅ ｇ ｓ ｌａ ａ ｅ ｍｏ ｅ ｅ ｕ ｔｄ ｆｏ ｔ ｅ ｒ —
．
Ｎｕｍｅ ｉａ ｄ ｌｗａ ｒ ｔ ａｉ ｔ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ａ ｐ ｉ ａｉｎ ｏ ｉｒ ｂ ｂ ｅ ｄ ａ ｅ ｕ ｔｏ ｘ ｅ ｉ ｅ ｔｆ ｒ ｒｃ ｌｍｏ ｅ ｓｆ ｓｌ ｖ ｌｄａｅ ｈ ｏ ｇ ｐ ｌｃ ｔｏ ｎ ａ ｍ ｃ ｏ ｕ ｂｌ ｒ ｇ ｒ ｄ ｃｉ ｎ ｅ ｐ ｒｍ ｎ ｏ ｉ ｙ
，
Ａｂ ｔａ ｔ Ｎｕｍｅ ｉａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｃ ｏ ｕ ｂｌ ｒ ｇ ｒ ｄ ｃ ｉｎ ｄ ｗｎ ｔｅ ｍ ａ ｔ ｌｖ ｎ ｉ ｔｄ ｃ ｖｔ ｓ ｃ ｒ ｓ ｒｃ ： ｒｃ ｌｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｍｉｒ ｂ ｂ ｅ ｄ ａ ｅ ｕ ｔ ｏ ｓｒ ａ ｐ ｒｉ ｅ ｔｌ ｅ ａ ｉ ｉ ａ ｏ ａ ａ ｖ
，
２・ ｃ ｏ ｌｏ ｒｓ ａ ｅ，Ｍｅ ｈ ｎｉａ ｎ ａ ｕｆｃｕｒｎ ｇｎ ｅ ｉ Ｓ ｈ ｏ ｆＡｅｏ ｐ ｃ ｃ ａ ｃ ｌａ ｄ Ｍ ｎ ａ ｔ ｉｇ Ｅｎ ｉｅ ｒｎｇ ＲＭＩ ｉｅｓｔ Ｔ Ｕｎｖｒｉ ｙ，Ｖ ｃｏｉ ３ ８ ｉｔｒ ０ ３，Ａｕｔａｉ ） ａ ｓｒｌ ａ
利用空气形成膜来减少阻力的例子
利用空气形成膜来减少阻力的例子船舶气膜减阻节能技术的应用试验
当前国际上因对船舶低碳的要求，船舶利用空气减阻进一步引起人们的重视。
2013年设计建造船舶将行EEDI规则，为船舶低碳规定了指标规范。
早在1987年国外科学家提出了船舶空气润滑的概念，国际上许多国家都曾投人了大量人力物力研究船舶空气减阻，当前已取得了较大的进展。
目前世界上主要形成以下三种船舶空气减阻技术形式。
一种为船底倾斜板断级气泡减阻节能技术，该技术主要用于过渡型高速船型上，船底设置数道倾斜板借助于船速在船底倾斜板后面形成拱状气泡，气泡长度与船速的平方成正比。
二为船舶微气泡减阻节能技术。
利用船上风机向船底输入空气时通过船底微孔形成微气泡水气混合物从而实现船舶气泡减阻节能。
三为我国自主创新船舶气膜减阻节能技术。
作者于1982年研究得出了与水的表面张力有关与吃水深度无关的气泡膜常数,后谓之气膜定律,进而通过试验研究得出船底气膜形成规律，设计了船舶气膜减阻节能装置系统获国家发明专利，为上海市高新技术成果转化项目。
利用船上风机向船底输人空气时，通过船底安装的横向导流板装器能有效形成船底薄层空气膜，使船底与水的接触替代为与空气的接触，从而可实现船舶阻力显著降低，本发明使我国在国际上首先解决了船底有效形成薄层空气膜的技术难题。
试验研究和实船应用测试结果都说明，船舶利用气脑减阻节能技术可减少船体与水的接触面积
30-50%，可实现运输船和高速船节能15-20%左右。
本文主要介绍船舶气膜减阻节能技术的应用测试和分析，我国自主创新船舶气膜减阻节能技术经历了艰难的历程，克服了诸多技术难题，积累了可贵的研究和应用经验，为船舶节能低暖开发了一条经济实用的技术途径。
气泡减阻技术研究进展
９ 年代以来 ， ０ 日本许多学者开始 了微气泡控 制湍流边界层减阻的试验研究 ， 其中比较有代表性
的是广 岛大学工学部和石川岛播磨重工业株 式会社
技术研究所所进行的平板及 回转体减阻的试验研
】９ ０
第 ６期
船
海
工
程
第４ ０卷
究， 试验结果 与苏 联及美 国大体一 致。近 １ ， ０来 日
１９ ９ ９年王 家 楣 教 授 在 试 验 中创 造 性 采 用 多
２ 大 气泡 减 阻技 术研 究概 况
高速 气泡 船是在 前苏联 列 宁格勒 的克雷 洛夫
研 究 院研 究成 功 的。他 们 自 １６ ９ １年 开 始 就研 究 人 工气泡 在滑 行艇上 的稳定 性 问 题 ，９ ５年 开始 １８
船 舶 的总 阻力 。微 气 泡减 阻 是通 过某 种 方 式在 船
上 首 次使用 空 气润 滑 ， 过艏部 的小 孔注 入空气 ， 通 最 终 未能在 船底 得 到一层 稳定 的气 泡层 。
最早 的试 验工 作 始 于 １ ７ ９ ３年 ， Ｍ Ｃ ｒ ｉｋ 由 ｃ ｏｍ ｃ
和 Ｂ ａａｈｒｙ 完成 ， 拖 曳 回转 体 上 环 绕 铜 导 ｈｔ ｃａ ａ ｔ ｙ 在 线 ， 以此 作为 阴极 通过 电解 而产生 氢气 泡 ， 低 并 在 速 时 阻力 降低 ５ ％ ， 由于 模 型形 状 和 表 面缠 绕 ０ 但 导 线 的影 响 ， 动很容 易 发生分 离 。 流 １７ ９５年前后 ， 联 的研 究 人员 研 究 了微 气 泡 苏 减 阻 的影 响因 素 ， 面摩 阻减 少高 达 ８ ％ 。气 泡 表 ０ 体 积浓 度 、 径 等 对 减 阻 影 响较 大 。微 气 泡 大 量 孔 集 中在 湍流 边界 层 中是 导 致阻力 减少 和湍 流改 善 的原 因 ， 孔径 为 １～ ｘ 的多 孔平 板 减 阻效 果最 ３Ｉ ｍ 佳 ，Ｏ～１０ ｍ时 阻力不 会减 少 。 ５ ０
第四章 飞行器的阻力和减阻技术
（3）诱导阻力
机翼产生 正升力
上表面P小 下表面P大
空气绕翼尖从下 表面流向上表面
翼尖涡流
（3）诱导阻力
ห้องสมุดไป่ตู้1、翼尖涡流
机翼产生 正升力
上表面P小 下表面P大
空气绕翼尖从下 表面流向上表面
翼尖涡流
迎角越大，机翼上、下表面的压力差越大，翼尖涡流越强。
2、下洗
（3）诱导阻力
V
V
涂层减阻
涂层减阻是在管道或明渠内壁涂上减阻材料以达到 减阻效果的方法, 其关键技术在于减阻涂料和涂敷技 术两个方面。最早应用于石油管道干线输气, 可以使 输运量增加 5%~20%。利用涂层的疏水性, 使得壁面 更光滑, 从而减小了阻力。
高聚合物添加剂减阻
高聚合物添加剂法是近年来减 阻研究的一个重点, 它通过在 流体中溶入少量长链高分子聚 合物来实现减阻。 高聚合物添加剂减阻是通过从 液体内部边界创造条件以实现 减阻, 它们有一个共同的特点 ：分子量的量级都高达百万。
降低干扰阻力的方法：翼身融合
未采用翼身融合技术的米格21战斗机
降低干扰阻力的方法：翼身融合
未采用翼身融合技术的飞机
（5）激波阻力
激波阻力是飞机在空气飞 行过程中产生的一种较强的波 ，由空气遭到强烈的压缩而形 成。当飞行器超声速飞行时， 由于飞行器的能量以强压力波 的形式向周围的空气传递而产 生的一种独特的阻力。激波阻 力对超声速飞行器翼身组合体 的体积和横截面积分布十分敏 感。
V
下洗气流速度——下洗气 流垂直向下的分速度。 下洗角——下洗气流与来 流之间的角度。
降低诱导阻力的方法
1、翼梢小翼
降低诱导阻力的方法
1、翼梢小翼
仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述
仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述作者：王政李田李明张继业来源：《河北科技大学学报》2017年第04期摘要：介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物，阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律，针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述，提出了沟槽扩展类型，并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。
分析表明：微结构类型对减阻效果有较大影响，减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点，仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率，在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。
关键词：仿生学；表面微结构；减阻；湍流结构；气动阻力中图分类号：Q692文献标志码：A收稿日期：20161206；修回日期：20170323；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51605397）；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目（2016TPL_T02）第一作者简介：王政（1993—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事列车空气动力学方面的研究。
通信作者：李田博士。
Email：litian2008@王政，李田，李明，等.仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述[J].河北科技大学学报，2017，38（4）：325334.WANG Zheng，LI Tian，LI Ming，et al.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（4）：325334.Review of mechanical research and aerodynamic dragreduction of bionic surface microstructuresWANG Zheng1， LI Tian1， LI Ming2， ZHANG Jiye1（1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610036， China； 2.CRCC Tangshan Company Limited， Tangshan， Hebei 064000，China）Abstract：Some typical living creatures with a nonsmooth surface in nature are introduced. The law of the fact that an appropriate microstructure surface can transform the turbulent structure of nearwall region is briefly stated. The research status of the type of microstructure surface， the drag reduction of microstructure surface， the mechanism of drag reduction of microstructure surface and its application so far are commented. The extended types of grooves are proposed， and it is suggested that the current research on drag reduction should be extended for structures with complexshapes. The analysis indicates that the types of bionic microstructure surfaces have great effect on drag reduction， the mechanical research and aerodynamic drag reduction are focal points of the bionic microstructure surface drag reduction technology， which can further improve the efficiency of energy conservation and reduce consumption， and has a great prospect in engineering fields such as aircraft， highspeed trains， cars， etc.Keywords：bionics； microstructure surface； drag reduction； turbulent structure；aerodynamic drag《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》提出“科学合理使用能源，大力提高能源效率，推进重点领域和关键环节节能”。
国内外船舶气体减阻技术应用进展
船底部布置 3 个ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ气释放单元，具体布置如图 7 所 示。由 3 个空气释放单元喷出微气泡在船底部形 成 微 气 泡 层［12］。2010 年 4 月，Mitsubishi 完 成 了 NYK-Hinode Line 公司的 YAMATAI 号模块运输船， 该船也是世界上首个新造船安装的 Mitsubishi 气泡 减阻系统。在实船试验中，气泡减阻系统实现了 大于 10% 的节能效果。同年 12 月，Mitsubishi 完 成了 YAMATAI 的姐妹船 YAMATO，同样采用了 Mitsubishi 气泡减阻系统［13］。4 年后，姐妹船保养 时， 气 泡 减 阻 系 统 能 够 正 常 运 行。2016 年 以 及 2017 年，Mitsubishi 将其气泡减阻系统安装到了 2 艘 AIDA 邮轮上，但目前尚未公布邮轮的减阻效率。
0 引 言
船舶阻力主要包括摩擦阻力、兴波阻力以及 黏压阻力，在肥大型船舶上，摩擦阻力通常占据 了主要部分。摩擦阻力产生于船舶行进时水与船 体表面之间的黏着作用，以货船估算，其占整体 阻力的 60%~70% ；以油轮估算，其占整体阻力的 80% 左右。因此，如何有效减阻始终是造船界的
关注重点。 减少船舶阻力的主要方法 ：一是船型优化设
徐天南：国内外船舶气体减阻技术应用进展
船舶动力装置
2021 年 · 第 6 期 · 总第 195 期
DOI:10.19423/ki.31-1561/u.2021.06.069
国内外船舶气体减阻技术应用进展
徐天南
（中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所 上海 200092）
［摘 要］介绍船舶气体减阻的机理、气泡发生方式、形成机制以及影响因素，同时分别介绍气泡减阻与气层减阻的国内外 主流研究机构及其商业化实船应用现状。指出国内外气体减阻应用存在差距，气泡减阻较气层减阻更为成熟，并针对这一 应用现状，提出气泡减阻与气层减阻在应用中所应注意的问题。 ［关键词］气泡减阻 ；气层减阻 ；实船应用 ［中图分类号］U661.1 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2021）06-0069-06
平板微气泡减阻预报及影响因素研究
基金项目：全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项Ｈ（０ ５ １ ２０ ５） 国家部 委重 点基金 项 目资助 （ １０ ４３ １６Ｂ１０ ） ９４ Ａ１０ ００Ｊ １ １。
图 １ 平板模型形状及供气板的布置
３ 数学模型
３１ 气一 ． 液两相混合 流模型
假设两相流体均匀混合 ，则建立气一 液两相混合流模型为
平板微气泡减 阻预报及影响因素研究
郭 峰 ，欧勇鹏 ，董文才 ，毕 毅
（ 海军工程大学船舶 与动力学院，武 汉 ４０ ３ ） ３０３
摘
要
假定气一 液两相流均匀混合 ，且微 气泡在水流 中存在滑移，运用流体 计算软件 Ｆｕ ｎ 中的混合多相流模 ｌｅｔ 型对平板微气泡减阻过程进行数值模拟 ，研究了微气泡流 的减阻机理及喷气速度 与主流速度之比、微气泡大 小、空隙率分布等对水 中运动平板减阻效果 的影响规律 ，并指出微 气泡减阻率为喷气速度与主流速度之比的 非线性对数函数 ，且存在 相对饱和喷气速度 ，同时建立 了一个平板微气泡减 阻率大小 的预 报模型 ，并从理论 上对减阻效果进行 了预报 。
式中 为气体在液体中的扩散系数 ；
气一 液两相间滑移速度方程：
＝
）ｄ （ ｒ （ ） ＝ｉ ｇｄ ） Ｖ ａ
为气体在混合流中的质量浓度。
（ ） 昙 一
气相漂移流率方程 ：
ｊ＝、—ｃ ｜ｍ Ｄ Ｉ ０Ｇ ｐ ８ 、
微气泡的漂移速度与滑移速度之间的关系 ： 引
＝
（ 卜纸 ／ ） ，
４ ９卷
增 总第 １３ ） ８期
中
国
造
船
Ｖｏ．９Ｓ ｐ ｌｍｅｔ（ｅ ａ ． ８ ） １ ｕ ｐｅ ｎ Ｓ ｒ ｌ ４ ｉ Ｎｏ １ ３