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改善水动力性能的船体减阻方法综述
Mohammad Ahmadzadehtalatapeh1*, Majid Mousavi2
1Department of Marine amp; Mechanical Engineering, Chabahar Maritime University, Chabahar, Iran; m_ahmadzadeh56@yahoo.com
2Department of Naval Architecture Engineering, Chabahar Maritime University, Chabahar, Iran; s.majid.mousavi88@gmail.com
摘 要：船舶的水动力性能主要取决于摩擦阻力和压力阻力。通过改进船舶的形状，推行现代船型，可以实现压力减阻。船型优化技术也可用于此目的。而总阻力中的粘性阻力这一部分，特别是摩擦阻力，则需要用其他技术来处理。本文对应用于船舶减阻的不同方法进行了广泛的文献综述，并指出了实施方法的优缺点。将相关论文分为了三大类，并对实验和理论研究进行总结。
根据研究结果，建议将船型优化技术与其他适用的减阻技术如防污涂层相结合，以优化水动力。
关键词：减阻；水动力性能；船型优化；空气润滑；污底和涂层
1.引言
在海上运输中追求更高的速度和低油耗一直是造船工程师的主要目标之一。海洋工业运输了世界上95%的货物，而在船舶的可用能源中，有85%用于克服水动力[1,2]。对于船舶或海船来说，船体阻力被认为是最重要的部分，它直接影响了速度、动力要求和燃料消耗。有几种技术可以实现船舶减阻。这些技术的主要目标是找到有效的方法来减少总阻力。通过降低摩擦阻力和压力阻力可以提高船舶的水动力性能。
通过应用现代船型或船型优化技术可以改进船型，从而实现压力减阻。
一般来说，优化方法着重于通过主要减小波浪阻力来减小阻力。对于高速船舶而言，兴波阻力是优化过程中需要考虑的主要参数之一[3,4]。此外，新的船型已经成功降低了剩余阻力的水平，而且，它们在各个领域的应用，特别是在军事中的应用已经被接受。这件事的重要性促使了研究人员设计和建造具有不同物理特征的新型海上运输工具。
总阻力中的粘性阻力这一部分则需要用其他技术来处理。摩擦阻力是总阻力的主要部分，特别是在低速航行的商船中。因此，通过表面特性改进方法来减少摩擦阻力，例如应用防污涂层、空气润滑技术以及使用肋骨，对船舶设计师来说是一项重大的挑战。通过延迟边界层中湍流的发生来控制边界层，从而实施这些方法，降低了水下交通工具的表面阻力。湍流可以发生在靠近固体表面的边界层中，随着流速的增加，相关的摩擦力也会增加。湍流摩擦会造成相当大的能量损失[5]。
该文献综述分为三个主要部分，主要集中在船型及其优化、空气润滑、污底和涂层等方面。对于每个类别，相关的研究和报告已在小节中进行了审查和讨论
2.船型优化
从水动力性能的角度来看，船型优化是船舶初步设计的一个重要方面。由于船舶设计的复杂性和动态性，造船工程师尝试采用不同类型的可靠和自适应的方法来提高设计质量。另外，船体水动力优化降低了制造成本，提高了海上安全，从而减少了环境中二氧化碳的排放量。此外，造船工业正致力于开发新的设计理念和技术，以实现燃油经济型船舶的设计。
传统的设计过程由三个步骤组成，即几何建模、水动力分析和优化技术。这些过程的实施需要有正确的理解和实际的设计经验。
对于船舶水动力优化，必须考虑所有目标函数，如阻力、稳定性和耐波性。仅仅考虑一个目标就会产生不切实际的结果。例如，Biliotti等人（2011）和Gammon [6,7]在其工作中考虑了两个或三个目标函数，而Han等人（2012）以及Matulja和Dejhalla[8,9]仅考虑了一个目标函数用于船型优化。
其中一些优化方法通过减少静水阻力和波形来修改船型[10,11]。Campana等人（2006）使用非均匀有理基础样条（NURBS）曲面建模和雷诺平均Navier-Stokes（RANS）代码对David Taylor模型流域5415进行了优化，以最大限度地减少总阻力[12]。
在不显著降低位移量的情况下，通常可以获得波浪阻力的减小。Matulja和Dejhalla选择了波浪阻力对船型设计修改的灵敏度和势流求解器的精度作为优化程序的目标函数[13]。将势流求解器和遗传算法结合在一起，进行球鼻首优化。
结果表明，在设计速度下，波浪阻力系数降低了10%，相当于傅汝德数的0.289。图1显示了各种傅汝德数的结果。
图1.波浪阻力系数与傅汝德数[13]
根据报告，最佳水动力设计可以使二氧化碳的排放量最大减少2-3%。
2.1.现代船体
近年来，特别是在军事、娱乐、赛车和运输应用中，使用高速船的兴趣显著增加。
有几种方法可以提高船体的傅汝德数。其中，主要方法是使用诸如气垫、翼地（WIG）效应以及水翼或这些方法的组合，将排水船体重新排列为长度较短的部分。对于高速船舶来说，傅汝德数约大于0.4，波浪阻力在决定总阻力时起主要作用。如图2所示，根据作用在其上的升力，海上运输工具被分为两大类[14]。
图2.海上运输工具分类[14]
2.2.多体船
通过应用具有非常细的水线入口角的多体船来减少甲板面积，同时确保足够的稳定性是拥有高速船舶或海船的一种方法。由于其稳定性和有效载荷能力，具有高运行速度的多体船被广泛应用于军事和商业应用中。为了优化多体船在阻力和耐波性方面的性能，需要进行额外的努力来表现它们突出的水动力学特征[15]。
2.3.小水线面双体船（SWATH）和SLICE
SWATH是一种船体设计，与单体船和双体船相比，最大限度的减少了水线的长度，从而使流体静恢复力下降，如图3所示。SWATH水面面积表示为体积位移的函数，并与兴波阻力和海洋引起的船舶运动有直接关系[16]。
图3.单体船、双体船和SWATH的水线区域[16]
Brizzolara[17]采用一种自动方法优化SWATH船型，从而在高速时达到了最低的阻力。他以四个参考速度获得了四种优化的水下船体。图4给出了相应的片体面板网格。为此，考虑在船首和船尾设置两个较高直径的水下潜体，并在两者之间留出细长的直径。
图4.傅汝德数为0.5的SWATH的最佳水下船型[17]
SLICE是一项新型的专利船舶技术，它能够使SWATH船舶以更高的速度航行，同时保持其在航道中特有的的低运动状态。SLICE船舶在较高速度下显著降低了功耗。SWATH / SLICE船舶的追踪能力非常强，并且由于较低的吃水而具有较高的横向振荡周期[18,19]。
与SWATH不同的是，SLICE有四个较短的支柱和四个较短的泪滴形潜体。这种结构允许SLICE船体与具有相同排水量的SWATH相比在高速下的兴波阻力降低高达35%。而且，SLICE短船体能够更快速地穿越波峰。另外，SLICE与SWATH具有相同的稳定行程，但可以以相同的马力更快地行驶，如图5所示。此外，与具有相同位移的船舶的比较表明，SLICE船舶的长度是SWATH船体长度的四分之一。对于相同的运行速度，这一创新使得傅汝德数翻了一倍[20]。
图5. SWATH和SLICE在不同速度下的功率要求[21]
2.4.气垫船（ACVs）
ACVs是由气垫垂直支撑的交通工具。在这项技术中，空气是由升力风扇提供的，它提供了环绕船体外围的空气流动，随后将其喷射到缓冲空间。气垫也可以使交通工具具有在陆地和海面上移动的能力[20]。另一种像ACV一样操作的船舶通常被称为表面效应船（SES）。它是一种双体船，在前后两侧船体结构之间有一个气垫[22]。
2.5.滑行艇
在低速时，每个船体都表现为一个排水体，随着速度的增加，水动升力也会增加。当升力成为船体主要的向上作用力时，船舶被称为处于滑行模式[23]。
滑行船体是一种船舶，其重量主要由高速前进运动时的水动压力支撑。滑行船体的速度可以非常高，然而，它需要更多的动力用来维持在水面上。此外，低速滑行的船体性能最差[24]。图6显示了三种运动模式下滑行艇的典型阻力曲线。
图6. 在不同运动模式下的滑行船体的阻力曲线[24]
2.6.混合升力体船
通过将排水体积从母船体传递到升力体，母船体的湿表面积降低，从而减小了摩擦阻力。升力体本身被设计成具有高效的水动力学的形状，具有较高的升阻比。如图7所示，MIDFOIL和HYSWAC是附在船舶下面中间的两种不同类型的船舶有利升力体。研究结果显示，与传统的单体船相比，混合升力体船在较宽的速度范围内阻力下降了15-30％[25]。
图7.混合升力体船；(a): MIDFOIL,，(b): HYSWAC [26]
2.7.地效翼（WIG）艇
人们已经认识到，由于WIG效应，靠近边界（水面或刚性壁）的飞行比自由气流中的飞行在空气动力学上效率更高。通过降低飞行高度，这一效应显示了升阻比的提高[27]。
WIG船舶利用机翼和水面之间相对高压的气垫靠近水面飞行[28]。与地面效应船舶相比，气垫增强了升力并显著减小了阻力[29-31]。
尽管与飞机和高速船舶相比，WIG船舶的运营费用较低且运动速度很快，但是WIG船舶仍然面临各种技术难题，如峰值阻力。峰值阻力阻碍了起飞所需的高速。另外，它会引起不稳定问题，这在一架典型的飞机上是不常见的[32,33]。图8显示了各种船舶的峰值阻力曲线。
图8.不同速度下的峰值阻力[33]
3.空气润滑
空气润滑技术是在船体表面周围喷射空气，从而可以产生气泡流或气体覆盖层。在过去的十年中，人们对空气润滑在船舶上的应用重新产生了兴趣，并进行了大量的研究。
成功实施空气润滑后对经济和环境的影响将会是显著的，因为船舶的燃料消耗量可能会减少5%到20%[34]。该技术分为三部分，即微气泡减阻（MDR）、空气层减阻（ALDR）和局部空泡减阻（PCDR）。
3.1.微气泡减阻（MDR）
第一个关于MDR方法的实验工作是由McCormick和 Bhattacharya（1973）提出的[35]。通过使用缠绕在其上的铜丝，使得完全潜入水中的船体周围产生小气泡。Merkle和Deutsch（1989）指出，由于浮力的作用，微气泡的注入在低速条件下变得无效[36]。另外，根据报告，随着在具有微气泡的湍流边界层中的雷诺数的增加，减阻量减小[37]。因此，气泡注入对减阻的最大影响发生在特定的速度范围内。根据报告，通过应用MDR方法，阻力可减少80%[38]。
微气泡对湍流边界层的影响和影响气泡的因素是气泡注入技术中的两个重要课题，将在下面的小节中讨论。
3.1.1.用微气泡改变湍流
靠近固体边界的流体流动特性是一个复杂的问题。分析解决方案的欠缺、实证研究的不足以及对微气泡减阻机理缺乏了解导致了与这种现象相关的准确模型的缺少。一些研究人员认为，微气泡减阻是由于粘度增加和缓冲层密度降低而使边界层变厚的结果。Legner（1984）认为减阻是通过降低密度和改变湍流相结合而获得的[39]。在另一份报告中，Kanai和Miyata（2001）解释说，气泡阻止了靠近壁的翼展涡流的形成，这导致湍流爆炸现象受到抑制和湍流能量的减少[40]。
在边界层中微气泡积累最有效的区域是缓冲区，其原因是随着微气泡密度的增加，缓冲层的湍流强度降低[41,42]。Villafuerte和Hassan（2006）表明，在15-30的y＋范围内，微气泡的理想浓度对影响沿边界层的湍流结构变化起主导作用[43]。但是，如图9所示，它也表明， y＋ge;10时可以感受到微气泡的存在[44]。根据图9所示，虽然内层几乎不变，但在微气泡注入过程中，随着对数区域向上移动，粘性区域呈逐渐增厚的趋势。在图9中，自由流速度为14.2m/s，空气流速从Q1=0.001m3/s变化到Q5=0.003m3/s。
图9.不同气体流速下边界层的变化[44]
3.1.2.影响气泡的因素
大量的实验室实验已经公布了利用微气泡技术在船体减阻方面的有效性。然而，这种技术的适用性还有许多模糊之处，例如体积分数、注入速率、气泡大小、最佳注入方法、浮力、盐水的性能以及与注入点的距离等。
Lu等人（2005）认为气泡的可变形
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