船舶气泡减阻的理论研究

Sea transportation accounts for 80% of international trading, and 6% global CO2 emission. Therefore, ship drag reduction is very important. Bubble Drag Reduction (BDR)，a technology to reduce ship drags in water has been research hotspot since 1970s. There are two types of BDR (1) the Micro-Bubble drag reduction (MBDR), which effect was shown in laboratory experiments to be 80%, is not fully understood of its mechanism; (2) Air-Layer Drag Reduction (ALDR), which was observed effective in real ship trials, is troubled by air layer stability. The present application, beginning with the Rayleigh's bubble equation with surface tension effects taken into consideration, aims to reveal the contribution of surface tension to the MBDR through the study of the behaviors of a single and double bubbles in the vicinity of the hull. The second part of the application aims to investigate the influence of trim and sinkage on the stability of air layers and quantify the influence of factors like jet and jet rate through simplifying the hull with air cavity to the wave-making problem of pressure distribution moving on the free surface. A theoretical analysis methodology is formulated based on experimental validation and an optimization model is given on BDR in order to provide a theoretical guidance for BDR design.

航运占国际贸易的80%，二氧化碳排放量约占全球排放量的6%。因此，船舶的减阻降排意义重大，其中气泡减阻技术是持续受到热点关注的技术。气泡减阻有两种形式：（1）微气泡减阻，实验室减阻效果可高达80%，但其减阻机理尚不清晰；（2）气层减阻，实船效果达到10~30% ，但保持其稳定性是关键。本申请首先从Rayleigh气泡方程出发，考虑表面张力影响，通过研究近船体单个气泡、双个气泡的形态，开展船体表面微气泡动力学的理论研究，揭示表面张力在微气泡减阻机理方面的贡献；其次基于自由表面兴波理论，将具有气腔船体在自由表面的运动简化为自由表面压力分布的兴波问题，考察航态对气层的稳定性作用和喷气量、喷气率等因素对减阻效果的影响。在此基础上，通过模型实验验证，形成气泡减阻一套理论分析方法，建立气泡减阻优化数学模型，指导气泡减阻的设计。

航运占国际贸易的80%，二氧化碳排放量约占全球排放量的6%。因此，船舶的减阻降排意义重大，其中气泡减阻技术是持续受到热点关注的技术。气泡减阻有两种形式：（1）微气泡减阻和（2）气层减阻。但是，二者减阻机理尚有混淆，理论预报的结果和实际使用效果之间存在着巨大的差距。本研究通过理论、计算、模型试验，旨在揭示气泡减阻的机理和规律，形成系统性的指导方法和技术。通过本研究，我们发现：（1）通气量小的时候，微气泡减阻为主；通气量大的时候，气层减阻为主。两者之间存在突变；（2）气泡减阻的关键是形成超过临界面积的气泡覆盖层；水下航行体和水面船体模型试验揭示了同样的规律，说明以上发现是比较普遍的；（3）通气量是减阻率的最敏感变量。其次是气泡直径、湍流摩擦系数和体积分数；其他的变量影响可以忽略；（4）建立了气泡减阻的计算技术和方法，可以考虑微气泡减阻、气层减阻和二者之间突变的机制，形成了完整的气泡减阻数值预报技术，适合于水下航行体和水面船的气泡减阻效果评估；建立了气泡减阻的模型试验技术，可以定量评估减阻效果。本研究确定了气泡减阻的最重要影响因素（通气量和气泡直径），对减阻率给出定性和定量的关系，揭示了减阻本质，对气泡减阻的科学研究具有科学意义。针对中船集团民船设计中心的一艘散货船气泡减阻和某研究所的水下航行体的气泡减阻和降载提供了咨询意见。