轉貼 高速船新概念

作者:朱勇;刘海洋;实习生何婷婷 |5    日期：2005-12-15 9:19:00  来源:中国水运报   编辑：罗兰  点击：0 ]

　　水密度是空气密度的800倍，如有气层分布在船底将大大降低船在水中形成的阻力……100多年来，通过气层减阻提高航速的研究一直是各国舰船专家攻关的重要方向。12月8日，海军工程大学董文才副教授告诉记者，他研究的高速艇（又称"气泡船"）气层减阻实施方法已成功，该项成果达到国际先进水平，具有重要的军事和民用应用前景

　　减小阻力，有效提高航速，一直是船舶优化研究的主攻方向，通过气层减阻提高航速，更是世界性难题。海军工程大学董文才副教授介绍说，他研究的高速艇（又称"气泡船"）气层减阻实施方法，即在运动船体和水面之间制造一层薄薄气泡（空气和水的混合体），如同在两个摩擦体之间涂抹上了一层润滑油，将使船艇阻力减少25％，实艇时速可望突破100公里，并能减少振动、降低噪声。

　　俄罗斯已技术成熟

　　早在19世纪80年代，俄国和瑞典科学家就提出了利用气幕降阻原理造船的设计思想，但在波浪中或在有外界干扰的情况下，把气层稳定地附着在船体表面有相当困难。后来人们为了增加艇的航速，在上世纪60-80年代相继造出航速达40至60节的气垫船、水翼艇，以后又创造出航速达100节以上的地效翼艇。由于制造复杂，造价高、维护困难、费用高，产品虽然已日趋成熟，但难以推广。

　　于是造船工程师又考虑研究制造以气泡润滑为原理的气泡船。目前，日本、挪威、美国等都在进行气泡船的研究，但大部分处于模型试验和中试艇过程。对于此型艇的研究，其难点不光是在实验室中单纯研究气幕减阻，更在于其在水中（尤其是波浪中）一系列综合工程技术问题的解决，如气幕在不同外界条件下的稳定生成（尤其在波浪中），气幕对推进器的影响及其吸气问题，气幕对艇的稳定性与耐波性影响等。

　　俄罗斯高速气泡船研究已进行了将近30年，不仅有大量的船模试验，而且在实船试验上也已证实了其研究成果，生产出了一系列批量产品。1993年俄罗斯建成了世界上第一艘实用高速气泡船"琳达"号，其排水量为24.6吨，载客70人，主机功率为735千瓦，航速为55千米／小时，续航力为400千米，以后又相继建成100吨级"赛加羚羊"号高速护卫艇等一批产品，由于其军事用途等原因，该项技术严密封锁，各国只能自行研究。

　　国内研究历时7年

　　从1997年开始，董文才就一直瞄准这一世界性难题，读博期间开展了平板微气泡减阻和高速艇气穴减阻研究。据董文才的导师、我国著名的船舶力学专家郭日修教授介绍，董文才研究的是船舶流体力学和船舶结构力学相结合的学科前沿课题，在没有资料和经验可供借鉴的情况下，他自主创新研究攻关，在国内首次完成了气层作用下，高速艇强制自航模型试验研究，建立了在气层影响下高速艇模型和实艇阻力的计算方法，提出了气层减阻率的影响因素和确定方法，建立了高速艇饱和气流量时的阻力计算方法，并且掌握了实艇阻力减少25％的工程实现方法。

　　"气泡船"制造气泡会不会消耗大量的主机功率？为解答记者的疑问，今年38岁的董文才作了一个对比。他说，目前应用的气垫船分两种，全垫升式气垫船最高航速接近每小时100公里，但形成船体和水面间厚厚的气垫要消耗船上主机功率的30－40％；侧壁式气垫船最高航速可达到每小时90公里，但要消耗船上主机10－15％的功率。而他研究的"气泡船"时速可达到100公里，只需消耗艇上主机功率的3％。这与俄罗斯高速气泡船气泡发生装置消耗的功率相等，因此，该项成果已经达到了国际先进水平。

　　正是经过了艰苦的理论研究和大量的模型试验，高速艇气层减阻理论研究终于取得重大突破。7年间，董文才撰写了20余篇论文，其中《滑行艇及平板气层减阻的研究》一文，入选2005年全国优秀博士学位论文。12月5日，海军工程大学隆重举行大会，表彰他在舰艇气层减阻技术研究中取得的突出成绩。

　　有市场应用前景

　　有关专家认为，该项研究成果在理论上首次提出了滑行艇模型和实艇间阻力换算的"计及气穴面积分布率修正的二因次阻力换算法"、临界气流量时滑行艇阻力数值计算方法、平板微气泡边界层摩擦阻力的近似计算方法。在试验技术上，首次在国内进行了气层作用下滑行艇强制自航模型试验研究；对激光多谱勒测速技术（LDV）在气液两相流场中的应用、高速艇底压力测量技术进行了有益的探讨。在工程应用上，提出了使滑行艇总阻力减少25％以上、平板局部摩擦阻力减少50-90％的措施，对指导船舶气层减阻设计有重要意义。

　　董文才打算在筹集到资金后，首先建造一条15－20米长的"气泡船"，进行实艇试验，进一步完善这一研究成果。目前，已有一家科研单位同意提供一艘同类型艇进行改装以做实艇试验研究。他希望自己的研究成果对我国海军现代化建设和航运事业发展起到一定的作用。

　　相关人士介绍，该成果可以广泛应用于导弹快艇、猎潜艇、边防巡逻艇、海关缉私艇、海事巡逻艇、高速交通艇等高速艇以及平底船的减阻设计。"气泡船"具有较强的续航能力，经济效益显著。如果有关国家也突破了这个技术，或者我国要抢占市场制高点，批量生产也许就为期不远了。届时，"气泡船"的市场竞争将随之而来，其前景将是非常诱人的。

文 摘 要   
  随着兴波阻力理论的完善，通过船型优化设计，利用有利兴波干扰减少船舶阻力已经得到了广泛应用，进一步减少船舶航行阻力就要寄希望于粘性阻力的减少。自1973年以来，船舶气层减阻技术就得到了世界各国的重视。俄罗斯、日本、美国、韩国、挪威等国家积极开展了船舶气层减阻技术的研究，但只在俄罗斯的高速艇和低速平底船上得到了初步的应用，我国也进行了一定的研究。

目前国际上关于气层减阻机理还没有一致的认识，在气层减阻的数值计算方法、气层发生装置的设计及加工技术、滑行艇气层减阻的相似律以及气层对螺旋桨性能的影响程度等研究方面，还存在着大量尚未解决的问题；同时由于气层减阻技术具有很高的商业价值，国外很少公开这方面的研究资料，我国至今尚未进行高速艇气层减阻的研究。

在水动力学国家重点实验室基金项目“气幕减阻机理试验研究”及 “气泡滑行艇艇型及气层对减阻影响规律的研究”等课题，以及“九.五”国防科技预研基金的资助下，论文围绕平板、滑行艇气层减阻的机理及减阻措施展开研究。论文主要内容如下：

1. 平板气层减阻试验研究

通过模型试验，探索了开孔大小、开缝角、气流量、来流速度以及横向断阶对光滑平板局部摩擦阻力的影响，积累了气层发生器设计、加工的经验和技术，取得了平板局部摩擦阻力减少50~90%的效果，发现了减阻的原因在于供气时平板和水之间形成了气液两相混合流，当平板有横向断阶时，在断阶之后形成了空穴，空穴使气层减阻的效果增强。

2. 平板气液两相混合边界层流场特性试验研究

在低湍流度水槽里，利用片光源显示了平板气液两相混合边界层的流场结构，利用激光测速技术测量了平板水平放置时，混合边界层最外缘处水平速度及混合层厚度, 研究了平板安装位置、来流速度、供气方式等参数变化对混合边界层流场结构的影响，初步揭示了平板气层减阻的机理在于气液两相湍流边界层中微气泡对液相湍流的抑制作用。

3. 平板微气泡减阻的数值计算

分析了Yoshida模型的特点和不足；对Yoshida模型进行改进，同时考虑微气泡对气液两相等效流体密度、分子运动粘性系数、液相湍流粘性系数的影响，并将微气泡对湍流粘性系数的影响以液相混合长度的减少来表示，以平均气泡体积浓度来近似表示近壁面气泡体积浓度，建立了以有气泡、无气泡作用下摩擦阻力系数之比为未知量的一元三次代数方程，简化了平板微气泡减阻的数值计算。数值计算表明：随着气流量的增大，减阻率增大，但减阻率与气流量的关系不是线性的，当气流量较大时，减阻率随气流量变化的幅度趋缓；相同气流量时，沿板长方向减阻率是逐渐减少的，在气体入口的紧后方，减阻率最大。相同气流量时，减阻率随来流速度的增大而减少。所得结论在规律上与实验结果符合。

4 滑行艇气层减阻试验研究

通过艇底流态显示、艇底压力测量，研究了断阶滑行艇艇底供气对艇底流场、艇底压力的影响规律。研究结果表明：当气流量较小时，艇底供气不影响滑行艇艇底压力分布；当气流量较大，断阶的远后方艇底压力由于艇底供气而增加；断阶的近后方艇底压力在较高艇速时由于艇底供气而减少。断阶后方的局部区域存在着负压区，这有利于实现主机水下排气或负压供气，但值得注意的是艇底供气对负压区的位置有影响。

通过三条滑行艇模型气层减阻的大量试验，研究了气流量、艇速、供气方式、重心纵向位置、断阶、舭部拦板、艇型的变化对气层减阻率的影响，指出气层减阻率的主要影响因素为气流量、艇速、艇底斜升角、舭部拦板、断阶，而与供气孔大小无关，采用较大孔或缝供气有利于工程上的实施。揭示了滑行艇气层减阻的机理在于：艇底供气时形成气穴引起实际浸湿面积减少；气层所减少的阻力成分为摩擦阻力，气层对剩余阻力的影响甚微。通过对有气层时滑行艇总阻力的量纲分析，指出艇型一定的滑行艇气层减阻率为容积傅氏数、无量纲气流量系数、气穴面积分布率以及雷诺数的函数。气层减阻率一般随气流量、艇速的增加而增大，但存在着饱和气流量。对舯后底部斜升角为常值的断阶滑行艇，底部斜升角较小时，有利于气层减阻，当斜升角为110时，气层减阻率高达25%以上。舭部弧形拦板有利于提高气层减阻的效果，但其本身减阻效果差；舭部垂向拦板对气层减阻效果影响不大，但其本身具有一定的减阻效果。本文首次指出：艇底扭曲、艏部设置适当的纵向防溅条、舯部设置楔形板的深V型艇的阻力性能优良且适于采用气层减阻技术。

5 滑行艇气层减阻的相似律

通过对两条尺度不同、几何相似的滑行艇模型气层减阻的试验，研究了气层减阻的相似律。指出气穴面积分布率与容积傅氏数、无量纲气流量系数有关；气层减阻率可简化为气穴面积分布率与无气层时摩擦阻力与总阻力之比的乘积。提出了适用于有气层时滑行艇模型和实艇之间阻力的换算的“计及气穴面积分布率修正的二因次阻力换算法”。

6 滑行艇气层减阻的数值计算

采用查洁法编制了滑行艇无气层时阻力数值计算程序，并研究了查洁法的适用范围，一般而言，重心越靠后、艇速越高，采用查洁法计算阻力的精度就越高。通过对四条滑行艇模型试验数据的回归分析，得出了临界气穴面积分布率的经验公式，提出了临界气流量时滑行艇阻力数值计算方法，编制了计算程序，计算结果与实验值吻合。

7 气层对滑行艇推进性能的影响

开展了气层作用下滑行艇强制自航模型试验，探索了气层作用下高速艇强制自航模型试验技术。初步研究了艇底气层对滑行艇推进性能的影响。结果表明：气层对采用水螺旋桨推进的滑行艇推进性能的影响不大，由于气层影响，当滑行艇处于过渡状态时，推进效率略有增大；当滑行艇处于滑行状态时，推进效率略有减少。饱和气流量时，阻力及主机功率最大减幅可达20%。

本文在理论上、试验技术上和工程应用上都有创新。在理论上，首次提出了滑行艇模型和实艇间阻力换算的“计及气穴面积分布率修正的二因次阻力换算法”、临界气流量时滑行艇阻力数值计算方法、平板微气泡边界层摩擦阻力的近似计算方法。在试验技术上，首次在国内进行了气层作用下滑行艇强制自航模型试验研究；对激光多谱勒测速技术[LDV]在气液两相流场中的应用、高速艇底压力测量技术进行了有益的探讨。在工程应用上，提出了使滑行艇总阻力减少25%以上、平板局部摩擦阻力减少50~90%的措施，对指导船舶气层减阻设计有重要意义。

本文的研究结果可以广泛应用于导弹快艇、猎潜艇、边防巡逻艇、海关缉私艇、港监艇、高速交通艇等高速艇、以及平底船的减阻设

very長盡

回復 fung2010 的帖子

又學到野. Thank you

姐係講緊一隻帶直升機功能既船??