程紅霞，倪其軍，邢圣德，何術(shù)龍

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

1 引 言

高速氣泡船是一種發(fā)展中的新穎高效高性能船型。它與水翼艇、側(cè)壁式氣墊船等其它高性能船相比較，不僅經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)良，且由于結(jié)構(gòu)相對簡單的優(yōu)勢，具有日常維護(hù)保養(yǎng)簡單、靠離碼頭方便、吃水較淺、保障要求及造價(jià)均較低等顯著特點(diǎn)，因而該船型適用范圍廣，具有廣闊的軍用和民用市場前景，其潛在的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，已成為當(dāng)前國際造船界的研究開發(fā)熱點(diǎn)。俄羅斯是目前世界上開發(fā)高速氣泡船最成功的國家，已建有實(shí)船70多艘，國內(nèi)目前還處在理論和試驗(yàn)研究階段，且應(yīng)用的多為微氣泡,采用的噴氣方式為孔噴或縫噴，氣泡直徑為10-5～10-4m量級[1-7]。

中國船舶科學(xué)研究中心一直高度關(guān)注高速氣泡船國內(nèi)外的發(fā)展動向，開展了大量研究及論證工作，現(xiàn)階段正在前期理論研究的基礎(chǔ)上，把已批量生產(chǎn)的某深V形滑行艇船型改造成氣泡船，在相同主尺度和相同排水量情況下進(jìn)行了模型試驗(yàn)，既達(dá)到了探索氣泡船自身的特性的目的，又獲取了氣泡船與常規(guī)船性能的直接對比結(jié)果，佐證了氣泡船的綜合航行性能優(yōu)于常規(guī)的深V型滑行艇。該型氣泡船采用人工大氣泡，通過一定壓力和流量的氣體在船底某一低壓區(qū)引入，并在預(yù)期的區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑氣泡腔圍壁，達(dá)到一個穩(wěn)定的氣泡腔。這與微氣泡降阻過程中的微氣泡發(fā)生器和微氣泡穩(wěn)定性是兩個完全不同的概念。國內(nèi)針對這種人工大氣泡船的研究開展較少，以下是對這種船型的部分水動力性能進(jìn)行初步探索。

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型情況

本次試驗(yàn)對象為一人工氣泡船和一常規(guī)折角船，模型縮尺比為λ=5，兩船模型橫剖圖見圖1和圖2，主尺度列于表1中。兩船模型照片見圖3及圖4。根據(jù)對俄合作調(diào)研結(jié)果與文獻(xiàn)資料[8-9]，俄對氣泡船的試驗(yàn)研究方法與其原型艇相同?？紤]到本次對比試驗(yàn)氣泡船與其原型常規(guī)折角船具有基本相同的線形，故本次試驗(yàn)采用適用常規(guī)滑行艇的拖曳試驗(yàn)方法；針對氣泡船的特殊性，另配有一套特制的氣泡發(fā)生裝置，兩船模型和實(shí)船滿足幾何相似和傅如德數(shù)相似。

圖1 人工氣泡船線型圖Fig.1 Body lines of the bubble ship

圖2 折角船線形圖Fig.2 Body lines of the planing ship

表1 人工氣泡船與折角船模型主尺度Tab.1 Main parameters of the bubble ship model and planing ship model

圖3 人工氣泡船試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Test model of the bubble ship

圖4 折角船試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Test model of the planing ship

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）人工氣泡船流量調(diào)試試驗(yàn)：在氣泡船水平吃水狀態(tài)下，不斷改變通氣的流量，對比試驗(yàn)所得的阻力值，以選取后續(xù)試驗(yàn)所需的合理流量值。

（2）人工氣泡船充氣前后對比試驗(yàn)：在水平吃水狀態(tài)下，在某一船速，進(jìn)行人工氣泡船充氣前后的阻力對比試驗(yàn)。

（3）人工氣泡船與折角船靜水阻力對比試驗(yàn)：在同一靜浮尾傾下，人工氣泡船和折角船以相同船速在靜水中前進(jìn)時(shí)，兩者性能對比試驗(yàn)。

（4）人工氣泡船與折角船波浪中性能對比試驗(yàn)：在同一靜浮尾傾下，人工氣泡船和折角船以相同船速在相同海況中前進(jìn)時(shí)，兩者性能對比試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 人工氣泡船流量調(diào)試試驗(yàn)

人工氣泡船流量調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果見圖5，試驗(yàn)選取一典型速度Vm=5.0 m/s，從圖中可以看出：不通氣時(shí)，氣泡船總阻力較大，通氣后，總阻力下降較快，但在某一流量臨界值Qm0=2.5l/s之后，總阻力幾乎沒什么變化。因?yàn)闅饬髁窟_(dá)到該值之后，氣泡在氣腔內(nèi)趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)過程中也觀察到氣泡在該流量之后，氣泡的長度基本不變。因此，后續(xù)試驗(yàn)中，氣泡船的通氣流量均采取該臨界值，以節(jié)省風(fēng)機(jī)功率。對應(yīng)于實(shí)船所需氣流量有Qs=Qm×λ2.5，由此根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果Qm0也可確定實(shí)船所需的一個經(jīng)濟(jì)流量Qs0。

3.2 人工氣泡船充氣對比試驗(yàn)

表2為人工氣泡船自身通氣前后的靜水試驗(yàn)結(jié)果對比，模型速度Vm=5.0m/s，通氣流量就選取由流量測試試驗(yàn)所得的臨界值，從表中可以看出，氣泡船在通氣后阻力下降較大，降幅近達(dá)一半，這是由于不通氣時(shí)，氣泡船底部的氣腔不僅增加了摩擦阻力，更多的是增加了氣腔斷階后旋渦阻力。通氣后氣腔內(nèi)形成了一個穩(wěn)定的氣泡，使船底線型又變成一個光順的曲面，減小了阻力。

3.3 模型阻力試驗(yàn)

在確定人工氣泡船通氣后氣泡能穩(wěn)定生成的前提下，我們進(jìn)行了人工氣泡船在靜水及波浪中的性能試驗(yàn)。并與折角船進(jìn)行了對比。

兩船在相同尾傾狀態(tài)下進(jìn)行了靜水中拖曳試驗(yàn)。氣泡船的充氣流量選取2.5l/s。模型阻力試驗(yàn)結(jié)果無量綱化后見圖6。

由圖6可見，低速時(shí)折角船阻力較小，因?yàn)榈退贂r(shí)氣泡生成長度較小，空氣在船底形成的小拱形區(qū)還不及常規(guī)船型所構(gòu)成的光滑船底，導(dǎo)致了阻力增加。中高速時(shí)氣泡船阻力較小，特別是高速時(shí)氣泡船阻力下降較多，F(xiàn)n▽為2.95時(shí)，氣泡船阻力下降就達(dá)27%。分析其阻力下降的原因有：

（1）從理論研究的結(jié)果[10]及試驗(yàn)現(xiàn)象來看，人工氣泡船在斷階后可形成一個穩(wěn)定的，具有一定壓力值的氣泡腔，這是人工氣泡船之所以能降阻的最重要的、最本質(zhì)的基礎(chǔ)條件。

圖5 阻力隨流量變化曲線圖（Vm=5.0 m/s）Fig.5 The effect of flux to resistance of the bubble ship(Vm=5.0 m/s)

表2 人工氣泡船充氣前后試驗(yàn)結(jié)果對比Tab.2 Comparison of the resistance of the bubble ship model with and without air

（2）從減小船底浸濕面積上看，當(dāng)Fn▽=2.95時(shí)，模型濕面積從 0.682 m2減少到0.478 m2，減少29.9%，則相應(yīng)摩擦阻力可減少29.9%,經(jīng)計(jì)算為0.87 kg，總阻力相應(yīng)減少16.0%。

（3） 從試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng) Fn▽=2.95時(shí)，經(jīng)過計(jì)算水動升力、氣墊升力、靜水浮力分別為 14.47 kg、8.63 kg 和 8.89 kg，分別占總排水量的45.2%、27.0%和27.8%。由此可見，該氣泡船在高速時(shí)艇體抬升是氣墊和滑行共同作用的結(jié)果?？梢娫摎馀荽菤鈮|與滑行艇復(fù)合的新船型，對于該船型，滑行水動升力仍支撐了大部分的艇重，起主要作用。

（4）氣腔墊升的艇重為8.63 kg，相當(dāng)于艇的排水量減少8.63 kg，參考62系列試驗(yàn)資料[11]，可知當(dāng)艇的排水量下降8.63 kg時(shí)，阻力可下降百分比約為10.8%。也因此氣泡船相對其原型折角船阻力高速時(shí)下降的原因有兩點(diǎn)：一是氣泡的存在使得摩擦阻力減少，另一方面是氣泡也墊升了艇體，起到卸載作用，使得氣泡船相當(dāng)于一輕載的滑行艇，減小了濕面積，也使得總阻力下降。

3.4 模型在規(guī)則波下試驗(yàn)

波浪中試驗(yàn)也是在相同尾傾的初始狀態(tài)下，船模以4 m/s的速度在二級浪（H1/3=0.25 m，T0=3.0 s）中頂浪航行，進(jìn)行了規(guī)則波試驗(yàn)，規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果無量綱化后見圖7。

圖6 兩船靜水中阻力比較曲線Fig.6 Comparison of the resistance of the two ship models in calm water

圖7 兩船波浪中性能比較Fig.7 Performance comparison of the two ship model in waves

由圖7可見，規(guī)則波中人工氣泡船的波浪增阻響應(yīng)幅值最大值、縱搖響應(yīng)幅值最大值、尾部加速度響應(yīng)幅值最大值均明顯小于常規(guī)折角船；規(guī)則波中人工氣泡船的升沉響應(yīng)幅值最大值、首部加速度響應(yīng)和重心處加速度響應(yīng)的幅值最大值稍大于常規(guī)折角船[12]。

4 實(shí)船換算

4.1 實(shí)船靜水有效功率換算

由于氣泡船的原型船是滑行艇，且氣泡船主要仍是水動升力支撐大部分艇重，故氣泡船和折角船均采用滑行艇的換算方法進(jìn)行換算。

采用二因次Froude法將模型試驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)船上，船的總阻力分成摩擦阻力和剩余阻力[13]，用下式來計(jì)算總阻力系數(shù)：

式中：RTm為模型總阻力，Sm為模型濕面積，Vm為模型速度。

需要特別注意的是人工氣泡船的濕面積與折角船不同，不僅與吃水有關(guān)，還與氣泡的生成長度有關(guān)，要扣除掉氣泡覆蓋的氣層面積。

實(shí)船的剩余阻力系數(shù)與模型的相等，有

實(shí)船總阻力系數(shù)有模型-實(shí)船相關(guān)補(bǔ)貼系數(shù)ΔCF取0.000 4，有了總阻力系數(shù)，按下式計(jì)算實(shí)船總阻力RTS和有效功率PE：

對于氣泡船，風(fēng)機(jī)是生成氣層的動力源，風(fēng)機(jī)所耗功率約為船總功率的2%～3%，考慮到這個因素，故換算時(shí)氣泡船實(shí)船有效功率在（5）式基礎(chǔ)上乘以1.03。

4.2 實(shí)船耐波性運(yùn)動預(yù)報(bào)

實(shí)船在長峰波中的運(yùn)動能譜是用線性疊加的方法（假設(shè)船舶對于許多簡諧波響應(yīng)的和等于這些簡諧波和的響應(yīng)），根據(jù)下式求得[14]

其中：Sx（ωe）為船舶搖蕩運(yùn)動能譜；Wx（iωe）為船舶某種運(yùn)動對規(guī)則波的頻率響應(yīng)函數(shù)，取自船模試驗(yàn)；Sζ（ωe）為遭遇頻率的波能譜。

試驗(yàn)波浪譜我們選用ITTC雙參數(shù)譜進(jìn)行模擬，其波浪譜密度函數(shù)定義為：

其中：H1/3為三分之一有義波高（m），T1為特征周期（s），ω為波浪圓頻率。

船舶航行時(shí)遭遇頻率的波能譜為

其中ψ為船的航向與波浪傳播方向之間的夾角。

由（6）、（7）式及（8）式即可確定實(shí)船在不規(guī)則海浪下的運(yùn)動響應(yīng)譜密度曲線。

短期海況視作均值為零的平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程，其幅值服從雷利分布，因此實(shí)船的運(yùn)動響應(yīng)譜幅值也服從雷利分布，則有以下一些統(tǒng)計(jì)特性：

0階譜矩m0：

其中：σx為船舶運(yùn)動響應(yīng)（或運(yùn)動速度、加速度）的方差[15]。

有了這個運(yùn)動方差，就可以計(jì)算任一保證率的運(yùn)動幅值。

運(yùn)動的最大幅值：運(yùn)動的有義幅值：

5 實(shí)船結(jié)果

運(yùn)動的平均幅值：

根據(jù)靜水試驗(yàn)結(jié)果，換算到實(shí)船，比較兩船所需的有效功率，見圖8。

圖8 實(shí)船所需有效功率對比曲線Fig.8 Comparison of effective power between the two real ships

表3 實(shí)船不規(guī)則波結(jié)果Tab.3 Performance of the two real ships in irregular waves

由實(shí)船換算結(jié)果可以看出，在同一初始尾傾狀態(tài)，人工氣泡船與常規(guī)船進(jìn)行比較有：

（1）當(dāng)VS=22.6 kns（Fn▽=2.95）時(shí)，氣泡船所需有效功率可減少24.8%，當(dāng)實(shí)船有效功率同為50 kW時(shí)，航速能提高4.28kns，增幅達(dá)27.7%。

（2）氣泡船在二級海浪中以17kns航速航行時(shí)阻力增加平均值明顯小于常規(guī)折角船，氣泡船波浪中總阻力比常規(guī)折角船的波浪中總阻力小25.4%；

（3）氣泡船在波浪中縱搖角小于常規(guī)船；

（4）在二級波浪中升沉值氣泡船大于常規(guī)船；

（5）在二級波浪中首部加速度和中部加速度氣泡船與折角船相當(dāng)，尾部加速度氣泡船有明顯優(yōu)勢，有義值降幅達(dá)39.1%。

6 結(jié) 論

通過這次較系統(tǒng)的模型試驗(yàn)，我們得到了以下結(jié)論：

（1）歷來國內(nèi)外文獻(xiàn)中[7、16-21]普遍引用的關(guān)于氣泡船的降阻原理為：在船底表面形成氣泡腔，將船底與水隔離，減小摩擦阻力，從而船舶總阻力減少。從本文試驗(yàn)結(jié)果分析可見因摩擦阻力減小而引起的阻力減小量僅為16.0%，顯然小于氣泡船的減阻總效果。本文明確地指出了氣腔內(nèi)壓力抬升了部分艇體，相當(dāng)于減輕了船的重量，負(fù)荷系數(shù)的下降必然導(dǎo)致阻力減小。綜合上述兩個因素才是人工氣泡船降阻的原因。

（2）氣泡船在波浪中航行時(shí)，只要船底氣泡腔不被破壞，則船底的氣泡腔還相當(dāng)于緩沖氣墊，可減緩船舶在風(fēng)浪中的運(yùn)動，提高氣泡船的適航性。

（3）從氣泡船氣流量與總阻力的關(guān)系可以找到一個氣泡船的最小流量，即最經(jīng)濟(jì)的氣流量。

（4）靜水中氣泡船與相同尺度、相同排水量的折角線船型相比較，總阻力可下降27%。

（5）波浪中氣泡船與相同尺度、相同排水量的折角線船型相比較，總阻力也可下降25.4%。尾部加速度可下降39.1%，其他運(yùn)動總體相當(dāng)。

綜合來看，人工氣泡船在靜水和波浪中的綜合水動力性能均優(yōu)于常規(guī)折角船。將氣泡降阻技術(shù)運(yùn)用到滑行艇上，可大大提高其運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性，人工大氣泡降阻具有極大的推廣意義。由于時(shí)間限制以上只是對一型人工大氣泡船的部分性能進(jìn)行了初探，為了深入研究人工大氣泡船的綜合性能，還有待后續(xù)開展更充分的試驗(yàn)研究和理論研究。

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