0 引言
船舶阻力主要包括摩擦阻力、興波阻力以及黏壓阻力，在肥大型船舶上，摩擦阻力通常占據了主要部分。摩擦阻力產生于船舶行進時水與船體表面之間的黏著作用，以貨船估算，其占整體阻力的60%~70%;以油輪估算，其占整體阻力的80%左右。因此，如何有效減阻始終是造船界的關注重點。減少船舶阻力的主要方法:一是船型優化設計，如利用球鼻艏以及壓浪板等設計可以減少波阻力;二是改變船體浸濕表面的屬性，如在船體表面涂有高性能疏水性涂料、增加表面活性劑以及氣體減阻等可以減少摩擦阻力川。隨著能源與環境污染等問題日益凸顯，國際海事組織不斷制定和出臺船舶各項強制性規定，如船舶能效設計指數(EEDI)、防污染公約(MARPOL)等，使船舶在追求更高能效的同時，又必須滿足防污染的要求。因此，氣體減阻技術得到航運界的廣泛關注。氣體減阻發展至今，其效果在實船試驗中已得到很好的驗證。本文根據氣體減阻的技術原理與表現形式的不同，將其分為氣泡減阻與氣層減阻兩類，并分別介紹了技術原理、氣泡發生方式以及商業化實船應用，同時就各氣體減阻技術在應用中所需注意的問題作了進一步探討。
1 氣體減阻技術簡介
1.1氣泡減阻技術原理
氣泡減阻，又稱微氣泡減阻，是指通過氣泡發生裝置，在船體底部形成一定微小體積的氣泡，大量的氣泡在船底聚集形成氣液兩相混合流，從而減小船體周圍水的密度、黏性以及湍流流動結構，達到減阻效果，如圖1所示。
氣泡減阻的影響與多種因素有關，如氣體注入速率、氣體注入位置、氣泡大小與形狀、氣泡分裂與聚合、流速和表面構造等”。兩相湍流流動非常復雜，迄今為止微氣泡減阻機理還沒有完善的理論解釋“。目前認為，微氣泡減阻的基本原理是微氣泡改變氣液兩相流的局部有效黏度和密度以及流體在壁面邊界層的流動結構，從而降低液體湍流摩擦阻力的作用。
1.2氣層減阻技術原理
氣層減阻技術主要方式有兩種:一種是在船底開設多個氣泡噴射孔以形成空氣層，這種技術的關鍵在于控制空氣噴量使氣泡在船底形成穩定空氣層的效果，又稱為氣膜減阻，如圖2(a)所示;另一種則是在船體底部設計有若干或一個較大凹槽，凹槽中填充以一定量的空氣3，稱為氣腔減阻，如圖2(b)所示。氣腔減阻技術是氣體減阻技術與氣腔船的結合，通過在船體底部構建大型氣腔結構，通以一定量的空氣形成穩定的氣層，從而將部分船底表面與水隔開，達到減阻效果。
有關研究結果表明，向凹槽中噴氣，可形成穩定的長氣穴，凹槽形式對長氣穴的形成影響不大;凹槽深度主要影響不噴氣時的阻力，噴氣形成長氣穴后，凹槽深度對阻力的影響不大[5]。
1.3氣泡發生方式
無論氣泡減阻還是氣層減阻，終究以氣泡的形成為基礎，目前從氣泡的發生方式可分為電解法、多孔板法以及傾斜板氣泡法。其中以多孔板法最為常見。
1.3.1 電解法
微氣泡減阻的方法被首次發現是利用電解的方法。將1個銅線圈纏繞體在完全浸沒在水中，利用電解產生氫氣氣泡，并對浸沒體阻力測量，結果顯示氫氣氣泡對減阻十分有效6。原理圖如下頁圖3所示。
1.3.2 多孔板法
多孔法是最簡單常用的方法。它是將壓縮空氣通過多孔(縫)噴入船體底部外的水中形成氣泡流”。下頁圖4是多孔介質的微氣泡產生原理。
1.3.3傾斜板法
傾斜板法的基本構成為空氣引入管、翼。如圖5(a)所示，結構簡單。基本原理是當水流通過翼時，由于翼具有一定傾斜角度，在水與空氣接觸面形成一定的負壓，負壓的大小取決于翼周圍的水流速、翼的形狀、角度以及翼與板之間的距離等因素。負壓將水面上的空氣吸入，空氣與水混合后穿過翼，在下游氣泡破裂形成大量小氣泡，如圖5(b)所示。
1.3.4 各氣泡發生方式對比
(1)電解法在實船中應用較少。由于需將電極浸沒在水中航行，且需要大量的電極才能產生足量的氫氣氣泡，相比于其他兩種方法，電解法成本過高。
(2)微氣泡減阻中，實船應用較廣的為多孔板法以及傾斜板法。多孔板法用法較簡單，只需配置1mm直徑的多孔板至船底，即可產生大量微氣泡，較傾斜板法更為簡單且氣泡大小可控。
(3)傾斜板法適用于非平底結構，較多孔板法加裝更為靈活。在不超過一定的吃水深度下，無需啟用空壓機/鼓風機，通過船舶的航行即可將空氣通過負壓壓入翼結構中;但如果超過一定的吃水深度，負壓較水壓相比較小，此時需開啟空壓機/鼓風機進行空氣輸送。
2 實船應用
2.1氣泡減阻應用
目前國內對氣泡減阻技術尚處于研究階段，未進行實船應用，而國外對氣泡減阻技術已實現了商業化的實船應用，統稱為空氣潤滑系統(ALS)，現階段主要的機構為Silverstream、Mitsubishi 和 Airglide。
Silverstream空氣潤滑系統原理是在船底布置10~18個空氣釋放單元(ARUS)(ARUS個數及布置取決于船型和大小)，利用空壓機將壓縮空氣通過管路分別排出到空氣釋放單元中，從而形成微氣泡分布在船體底面，如圖6所示。首個系統應用到40000載重噸油輪的翻新上;2014年該系統應用于MTAmalienborg，使該船在滿載吃水線7~11m的情況下，速度達到10~15kn，凈能量節省5%以上，性能由LR船級社、HSVA公司、Shell 以及Southampton University分別認證。隨后Silverstream將氣泡減阻系統安裝到新造的163000總噸的Norwegian郵輪上，2016年在邁爾船廠建造的Norwegian Joy以及2017年的其他翻新郵輪上也均有應用。
該技術在郵輪上的應用被證明在吃水8~9m下，航速10~25kn下，凈能量能節省5%以上「7];2016年Silverstream發布了一項空氣潤滑系統性能認證報告，報告再一次證實其空氣潤滑系統的有效性[8，隨后在2018年~2020年間獲得各船東青睞，Grimaldi、Finnlines以及Shell等巨頭均在Ro-Ro以及LNG系列船中應用空氣潤滑系統，其中Grimaldi旗下名為Eco Valencia的Ro-Ro船在運用該系統后節省了5.1%的燃油與排放9]。
近年來，我國也開始加強合作，2019年滬東中華與Silverstream開展了氣泡減阻在LNG船上的技術合作，并簽署了諒解備忘錄「。2020年威海船廠與友聯船廠也分別在RoPax與VLOC上與Silverstream展開了技術合作"。
Mitsubishi的空氣潤滑系統(MALS)原理是在船底部布置3個空氣釋放單元，具體布置如圖7所示。由3個空氣釋放單元噴出微氣泡在船底部形成微氣泡層「。2010年4月，Mitsubishi完成了NYK-Hinode Line公司的YAMATAI號模塊運輸船，該船也是世界上首個新造船安裝的Mitsubishi氣泡減阻系統。在實船試驗中，氣泡減阻系統實現了大于10%的節能效果。同年12月，Mitsubishi 完成了YAMATAI的姐妹船YAMATO，同樣采用了Mitsubishi氣泡減阻系統”。4年后，姐妹船保養時，氣泡減阻系統能夠正常運行。2016年以及2017年，Mitsubishi將其氣泡減阻系統安裝到了2艘 AIDA 郵輪上，但目前尚未公布郵輪的減阻效率。
Airglide是Shipwright旗下空氣潤滑系統產品的品牌。其由Shipwright公司專業的CFD模擬團隊以及專業的BLT實驗室提供技術支持。Shipwright具有強大的研發能力，也為IMO組織提供相關的數據研究技術支持。Shipwright也為三大主要郵輪公司均供應過氣體減阻系統產品，但由于保密原則，詳細數據未能公開。
2.2氣層減阻應用
國內研究氣層減阻技術的主要有上海輕航氣膜減阻船舶有限公司以及中船重工702研究所，國外是荷蘭DK集團。
上海輕航的氣層減阻技術為上海市高新技術成果轉化項目，獲得國家專利。4在船長72m的1000t駁船、185m的35000t貨船以及122m的424標準箱沿海集裝箱船上分別加裝氣層減阻系統后，實現節能15.2%、13.5%以及4.75%。
702研究所自主研發的氣層減阻技術具有國家專利，其自主設計研制1艘百噸級氣膜減阻原理樣船，已在95000載重噸的散貨船(1:10縮尺比，最大排水量114t)上應用，在適用航速范圍內，典型節能效果18%;設計吃水、設計航速下節能效果在11%以上(圖8)。在中國長航集團的長航洋山2號400 TEU敞口集裝箱船(滿載排水量9100t)上得到國內首次實船應用，并獲得成功。改裝后的“長航洋山2”經首次實船測試，氣體減阻裝置的綜合節能效果可達7%以上“5](圖9)。
荷蘭船舶氣腔系統(ACS)技術開發商DK集團將具有專利技術的ACS系統成功地在1艘超大型油輪(VLCC)上進行相關測試，測試結果顯示降低了15%的燃油消耗量「1。后與丹麥船東Dannebrog集團達成協議，為1艘12580載重噸多用途貨物船提供ACS系統。
2.3技術總結
國內外氣體減阻技術的商業化應用情況差距較大，以國外Silverstream公司的微氣泡減阻應用最為廣泛，減阻效果也獲得船級社等權威機構的認可，目前應用情況良好。本文根據各氣體減阻技術的特點，結合Silverstream公司的實船應用，對兩種氣體減阻技術進行總結，具體如下:
(1)氣泡減阻與氣層減阻均需要一個較平坦、較寬的船底面，保證氣泡的穩定，減小逸出量。尤其是氣層減阻，可能還需在船體底面搭建部特殊結構，以形成一個氣腔來存儲空氣。因此，微氣泡減阻相對更靈活，無需改裝船底結構，更適合于翻新船的氣泡減阻系統的安裝。
(2)在航行過程中，利用氣層減阻技術，空壓機/鼓風機無需長時間運行，只需一次補氣后關閉，待船體底部氣層中傳感器給出補氣信號，才重新啟動空壓機進行補氣。而微氣泡減阻技術在船底無存儲氣泡的結構，因此在整個航行過程中，需要一直啟用空壓機/鼓風機產生微氣泡。
(3)氣泡減阻是在船體底部形成氣液兩相流，氣層減阻是在船體底部形成氣膜將船底與水隔開，理論上氣膜減阻效率更高，目前從實船的第三方認證結果上也能得到一定的驗證。但值得注意的是，在選取空氣潤滑減阻系統之前，應進行全局的成本估算，即平衡氣泡發生裝置的能耗量、系統的成本與維護成本以及減阻節省的能耗等之間的成本關系。其中，氣體減阻的節能指標不能只是單一從摩擦減阻的效果來看，而是要綜合船舶全部能耗。
針對該系統節能效果的評估，CCS頒布了《船舶空氣潤滑減阻系統檢驗指南》，為裝有空氣潤滑減阻系統的船舶提供了EEDI計算方法和驗證指導。
(4)無論是氣泡減阻還是氣層減阻，當氣泡經發生裝置噴出，在船體底部擴散或在氣腔中泄露時，隨著船舶航行將有可能進入船體尾部區域。根據Mitsubishi對長崎船廠建造的雙槳運輸船 YAMATAI的仿真與試驗，結果表明:氣泡沿船底向螺旋槳上方流動，對螺旋槳的影響可忽略不計[口]。Kawakita’]用雙槳運輸船模型進行靜水與波浪下的氣泡減阻試驗，結果表明在靜水直航中，進入螺旋槳區域的氣泡可以忽略不計;但在斜航或波浪中，氣泡會流入螺旋槳上方引起螺旋槳的脈動壓力的變化，造成一定的影響。賈鄭銘等18進行了不同噴氣形式對船舶微氣泡減阻效果的數值模擬研究，得出首中部同時噴氣的減阻效果最好，同時隨著中心射流比例增加，微氣泡的體積分數增加，影響了螺旋槳的推進效率，因此，必須平衡減阻率與螺旋槳推進之間的效率取最優解。2016年 Silverstream的產品認證報告8作出結論:根據船體與螺旋槳檢測，氣泡層對螺旋槳沒有空泡損傷的風險，對船體及船底防污層也不存在侵蝕的風險。因此，對于空氣潤滑系統對螺旋槳的損傷問題尚無準確的定論。當混有氣體的水流進入螺旋槳的功能區，會對螺旋槳產生一定的影響，且與船型、噴氣的位置與速率、氣泡體積分數以及船舶航行狀態等多種因素有關。因此，氣體減阻技術對螺旋槳的影響還需進行深入研究。
3 結語
氣體減阻技術概念的提出至今已有幾十年，國內外相關學者也進行大量試驗研究，結果表明該技術具有良好的應用前景，可廣泛應用于高速艇以及低速肥大型船舶上。國內研究起步相對較晚，造成該項技術國內外商業化程度的明顯差異，因此，我國必須進行深入研究，同時加大推廣力度，在借鑒國外成熟技術的同時，還應考慮各氣體減阻技術在實際應用所需考慮的問題，對船體的穩性、耐波性以及推進效率等方面進行技術優化，對各方面成本進行綜合權衡評估，從根本上制定經濟可行的空氣潤滑減阻方案。