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超空泡减阻技术简介超空泡是一种物理现象，当物体在水中的运动速度超过185千米/小时后，其尾部就会形成奇异的大型水蒸气沟，将物体与水接触的部分包住，物体接触的介质就由水变成了空气，由于空气密度只有水的1/800，因而就能大幅减少物体所受阻力，物体表面会形成大型空气泡，这就是“超空泡化现象”。
超空泡技术就是在艇体表面和水之间产生一个气体空腔，因此减小了阻力，增大了艇的航速。
超空泡现象很长时间一直是令造船工程师们头痛的事，因为超空泡现象经常会在高速旋转的螺旋桨叶片表面产生而使螺旋桨高速“空转”从而损坏螺旋桨叶片。
超空泡技术概述当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空泡。
形成超空泡之后，航行体将在气体中航行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体的速度提高到100m/s的量级，使水下射弹等小尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级。
超空泡发展过程当航行体在流体中高速运动时，航行体表面的流体压力就会降低，当航行体的速度增加到某一临界值时，流体的压力将达到汽化压，此时流体就会发生相变，由液相转变为汽相,这就是空化现象。
随着航行体速度的不断增加，空化现象沿着航行体表面不断后移、扩大、进而发展成超空化。
其发展过程一般可以分为四个状态：游离型空泡、云状空泡、片状空泡和超空泡。
超空泡形成方法超空泡分为自然超空泡和通气超空泡两种，形成超空泡一般有三种途径：1）提高航行体的速度；2）降低流场压力；3）在低速情况下，利用人工通气的方法增加空泡内部压力。
前两种方法形成的为自然超空泡，最后一种方法所得到的就是所谓的通气超空泡。
现有的减阻技术脊装表面减阻，微气泡减阻，复合材料减阻，超空泡减阻技术。
而水下超空泡武器是一种新概念武器，基于这种新概念、新原理设计的水下超空泡武器，其运动速度极高，且不受水声对抗器材的干扰，从而大大提高了水下武器的突防能力。
利用空气形成膜来减少阻力的例子船舶气膜减阻节能技术的应用试验
当前国际上因对船舶低碳的要求，船舶利用空气减阻进一步引起人们的重视。
2013年设计建造船舶将行EEDI规则，为船舶低碳规定了指标规范。
早在1987年国外科学家提出了船舶空气润滑的概念，国际上许多国家都曾投人了大量人力物力研究船舶空气减阻，当前已取得了较大的进展。
目前世界上主要形成以下三种船舶空气减阻技术形式。
一种为船底倾斜板断级气泡减阻节能技术，该技术主要用于过渡型高速船型上，船底设置数道倾斜板借助于船速在船底倾斜板后面形成拱状气泡，气泡长度与船速的平方成正比。
二为船舶微气泡减阻节能技术。
利用船上风机向船底输入空气时通过船底微孔形成微气泡水气混合物从而实现船舶气泡减阻节能。
三为我国自主创新船舶气膜减阻节能技术。
作者于1982年研究得出了与水的表面张力有关与吃水深度无关的气泡膜常数,后谓之气膜定律,进而通过试验研究得出船底气膜形成规律，设计了船舶气膜减阻节能装置系统获国家发明专利，为上海市高新技术成果转化项目。
利用船上风机向船底输人空气时，通过船底安装的横向导流板装器能有效形成船底薄层空气膜，使船底与水的接触替代为与空气的接触，从而可实现船舶阻力显著降低，本发明使我国在国际上首先解决了船底有效形成薄层空气膜的技术难题。
试验研究和实船应用测试结果都说明，船舶利用气脑减阻节能技术可减少船体与水的接触面积
30-50%，可实现运输船和高速船节能15-20%左右。
本文主要介绍船舶气膜减阻节能技术的应用测试和分析，我国自主创新船舶气膜减阻节能技术经历了艰难的历程，克服了诸多技术难题，积累了可贵的研究和应用经验，为船舶节能低暖开发了一条经济实用的技术途径。
低速船舶微气泡减阻数值研究
赵晓杰;宗智;王加夏;洪智超;胡俊明
【期刊名称】《船舶力学》
【年(卷),期】2024(28)3
【摘要】为了研究船舶微气泡减阻规律,本文基于OpenFOAM中两相欧拉数值模型,对低速散货船进行微气泡减阻数值研究。
对气液两相分别建立控制方程,考虑五种相间作用力及气泡聚合和破碎,采用考虑气泡影响的改进k-ε湍流模型,忽略自由面影响,采用叠模模型研究喷气量、气泡直径、航速及吃水等因素对船舶微气泡减阻的影响,分析气体体积分数、湍流粘度和气泡直径分布等。
结果表明:微气泡可以同时减少船舶摩擦阻力、粘压阻力和总阻力;喷气量直接影响减阻率,喷气量越大,减阻率越高;较小气泡的平均气体体积分数较大且气体分布更均匀,同时湍流运动粘度较小,可以更有效减阻;气泡沿着流向会聚并,气泡越小聚并越剧烈;较高航速和小吃水更有利于减阻。
【总页数】11页(P368-378)
【作者】赵晓杰;宗智;王加夏;洪智超;胡俊明
【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院;大连理工大学船舶工程学院;工业装备结构分析国家重点实验室;江苏省船舶与海洋工程装备技术创新中心
【正文语种】中文
【中图分类】U661.1
【相关文献】
1.船舶微气泡减阻数值试验研究
2.船舶微气泡润滑减阻的研究进展与数值模拟
3.不同喷气形式对船舶微气泡减阻效果的数值模拟研究
4.二维船舶微气泡减阻数值模拟
5.船舶吃水对微气泡减阻影响的水池试验研究
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气泡减阻系统原理
气泡减阻系统是一种通过在船舶、飞行器等结构表面产生气泡层，减少摩擦阻力，提高运动效率的技术。
其原理基于两个基本物理学原理：表面张力和吸附作用。
当水或空气流经一个平坦、水平的表面时，由于表面张力，液体与固体之间会形成一个细小的湿润区域，称为“表面水膜”，并形成
阻力。
气泡减阻系统通过在表面注入气泡，使其聚集在一起形成气泡层，覆盖在表面上，从而打破了表面张力，大大降低了液体与固体之间的接触面积，从而减少了摩擦阻力。
此外，气泡减阻系统还利用了吸附作用。
气泡层表面的气泡与水或空气之间会发生分子间吸引力，从而吸附在表面上。
这种吸附作用可以形成一个稳定的气泡层，保持气泡在表面上的位置，不易破裂或漏气。
综上所述，气泡减阻系统通过利用表面张力和吸附作用，形成稳定的气泡层，降低摩擦阻力，提高运动效率。
该技术已广泛应用于船舶、飞行器、水上运动器材等领域。
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题目：减小粘性阻力的方法和措施组员：赵帅张帅郭宁吴龙烽郭宁罗乃甲减小船舶阻力方法：影响船舶阻力的因素很多, 其中主要的是航速、船型和船舶航行时的外界条件。
对于大量使用的中、低速船舶而言, 粘性阻力比兴波阻力要大得多; 对于高速船舶, 则主要应减少兴波阻力。
在减少阻力方面的主要措施有:一优化船舶的主要尺度和线型。
目前采用较多的船型与线型有: ①球鼻艏船型(国外已发展可变球鼻艏, 其鼻可上下移动, 或自由摆动, 或按吃水与航速变化改变球体形状) ; ②艉端球船型; ③球艉及双艉鳍船型; ④纵流船型; ⑤双体船及小水线面双体船; ⑥不对称艉部线型; ⑦浅吃水肥大船型; ⑧双艉船和平头涡艉。
（1）.球艏对游艇粘性阻力的影响：从游艇艇体表面的流线及压力分布图可以看出:尽管此类游艇加装球首的主要目的是减少兴波阻力以提高快速性,适当选择的球首(如球脂I)可以在明显减少游艇兴波阻力的同时减少粘压阻力，船艏以及尾部压力系数分布显著改变是其减阻的主要判据。
从上表可以看出,加装球鼻舷与没有球鼻脂状况相比,游艇的粘压阻力系数明显减小,而摩擦阻力差别不大,而球舷I状况下游艇的粘压阻力系数较球舫n稍大,但是差别不是很大"而球循I和球脂n两种状况对摩擦阻力系数基本没有影响"三者的粘性阻力系数大小为:采用球舷n最小,采用球舷I次之,无球脂时最大"对于兴波阻力系数,安装球鼻舶I!n均取到减阻效果,而球鼻舷I效果较好"（二）.运输船舶气泡润滑减阻技术研究成果显示:1)对低速肥大型船,在船底喷气,能够使摩擦阻力减小9% —17%左右;2)对低速肥大型船,在船底喷气能够使粘压阻力减小,最直观的理解是船底喷气改善了船底压力分布;3)同一喷气流量下,多级喷气(船首船中同时喷气)减阻效果好于单级喷气(仅仅在船首喷气)减阻效果,因为多级喷气模型是在单级喷气模型的气体体积分数较低的位置布置了一个喷气口,从物理模型上弥补了单级喷气模型的不足,另一方面,相对于单级喷气模型,多级喷气模型增加了喷气面积,而适度增加喷气面积有利于减小阻力;4)随着来流速度的增加,气体体积浓度在船底的分布也越集中,减阻率也相应增加,因为较大的来流速度相对于较小的来流速度更容易使气泡来不及逃逸就随着来流速度运动到船后方有效覆盖船表面;5)随着喷气流量的增加,减阻率也增加,因为喷气量的增加实际上就是增加了气体的体积浓度从而增加气体覆盖面;6)随着船舶吃水的增加,减阻率逐渐减小,这种减小的趋势在低速时表现得比较明显,而高速时表现得比较缓和;7)对深吃水低速肥大型船,较小的喷气流量减阻效果并不明显,要想获得理想的减阻效果,条件容许的情况下,需要增加喷气量;8)相同速度、相同喷气流量下,喷气口位置和面积相同的缝喷比孔喷减阻效果好,但缝喷更容易达到饱和喷气流量。
船用气泡减阻技术发展
船用气泡减阻技术发展
早在十九世纪30年代俄国和瑞典科学家就提出设想：在运动船舶的船体外表面和水之间，引入空气和排气形成气幕，可以大幅减少运动船舶总阻力。
然而，这一设计思想在工程技术实践中却并不容易实现。
因此，目前真正用于实船的仅为俄罗斯等极少数国家。
气泡船（air cavity craft）也有称作空气润滑船（air-lubricated-hull craft）或气浮船（air ride express）的，它是高性能船型中的一种。
其工作原理是把空气引入船底，在船底表面形成气水混合的两相流，从降低液体粘性系数的角度来减小艇体的摩擦阻力，达到高速航运的目的。
1949年底，瑞典哥德堡船模试验池的
Edstrand提出了气膜减阻原理，但由于空气会自由地飘离船体表面，无法形成气膜，试验没有取得成功。
60年代后，各国对怎样锁定气膜进行了深入研究，基本上形成了两种思路。
第一种思路是在平底船上开设一个凹进
船底的平面，四周用板材围起来，在船底凹面内通以压缩空气，使大部分气体封存在船底，当然难免还有一小部分气体随船体的移动从
船底边缘逃逸出去。
这类技术主要应用在低速运输船上，如驳船、货船和大型油船。
在我国黑龙江水运科学研究所研究的垫气驳就属于
这一类，并于1982年在黑龙江航运的驳船上应用成功。
在正常运营航速（Vs=9km/h）下，阻力可比原船型减小30%，而消耗在压缩空气上的功率只占总功率的3%，节能效果十分显著。
第二种思路是将船底下的一层薄薄的气
膜扩展成一个增压气室，最终将演变成侧壁式气垫船，成为另一类高性能船型。
80年代以来，前苏联、法国、美国、澳大利亚、荷兰等
国把气幕减阻技术拓展到高速船上，建造了实艇并投入航运。
英国、日本、韩国等也相继开展了研究设计工作，但未见到实船下水的报导。
气幕减阻技术进入90年代，尤以俄罗斯的研究设计工作最为突出，他们将其作为继水翼艇之后的新一代高性能船型走俏国际航运市场。
据克雷洛夫研究院研究成果报导：利用气泡技术可使大多数滑行艇的阻力减小20～40% ，而消耗在压缩空气上的功率不会大于总功率的3%，如果优化艇底形状，减阻效果还可提高到50%。
他们已开发成功的产品有两个型号，一个是内河气泡艇“林达”号；另一个是沿海用气泡登陆艇“岩羚”号。
若用每吨有效载荷（旅客的平均质量为75千克/人）、每节航速所消耗的功率来考核船的经济性，则“林达”号艇为4.71千瓦/吨服，“岩羚”号艇为4.36千瓦/吨服。
它们的经济性指标已优于常规水翼船和侧壁式气垫船。
气泡船与水翼艇和侧壁式气垫船相比有以下优点：日常维护保养简单；离码头方便；
吃水较浅；造价相对较低等。
对发展我国内河和遮蔽海域的客运货运事业有着广阔的应用前景，特别在内河的中上游浅水航道上更有独特的技术优势。
发展高速气泡船的关键技术是：深入探讨气幕减阻机理的理论和试验研究工作；船在静水和波浪航行时尽量减小气泡的逃逸量；使气泡（幕）均匀稳定地覆盖在船底上；处理好气泡对推进器的不利影响。
一、中国攻克气泡船技术难题
日前我军海军工程大学董文才教授在气泡船课题研究领域获得两项国家专利，成果经专家权威评审已达到国际先进水平，并显示出优异的军民两用前景。
一般而言，气泡船的玄机藏在船底，而如何研究一种即节能、又能增速的高性能气泡船，一直是许多国家攻关的重要课题。
董文才教授在国内首次完成了气层作用下的高速艇强制自航模型试验研究，并建立了气层影响下高速艇模型和实艇阻力的计算方法等，成功地掌握了实艇阻力减少25%的
工程实现方法，使我国在这一领域实现了巨大的飞跃。
董教授独辟蹊径地开发出具有自主知识产权的气泡高速艇新技术，实现了该课题跨越式发展。
通过理论计算和模型试验，针对高速滑行艇，实现了静水、迎浪规则波及不规则波总阻力减少20%至30%的目标，解决了实际海洋环境中“瓶颈”难题，为我国制造节能高效高速实体气泡船奠定了坚实基础。
二、日本研制船底气泡技术船
三菱重工近日在东京宣布，将与日本邮船(NYK)合作研发船底喷射气泡技术，期望通过“空气润滑系统”，降低航行时的海水阻力，降低10%二氧化碳排放量。
在日本国土交通省的资助下，三菱将以日邮旗下的日之出邮船公司营运的2艘石油供应船作为实验品，配备喷射气泡技术的供应船分别于今年3月31日和11月底在三菱长崎船厂建成。
有关船舶属于重负荷的特种船，配有滚装式斜道，用于运载原油或天然气钻探设
备的预制组件。
据介绍，相对其他大型船舶，石油供应船装设较宽阔和吃水较浅的船壳，因此产生的水压细小，能减少风机所需电力。
宽阔而平坦的船底设计，则令气泡更容易保留，便于形成气垫作用，减少燃料消耗。
按照现有计划，三菱将在实验中测试减耗燃料设计的效能，研究气泡在不同海面环境的活动模式与减排数据的相关性。
日邮发言人表示，海事业界日益关注船舶环保设计的发展，该公司亦在探讨不同能够降低碳排放的方法。
据资深造船业内人士意见，石油供应船的设计非常适合配置“空气润滑系统”，最终促成与三菱的合作计划。
图1 船底气泡技术船结构示意图（船舶在船底气孔喷出气泡，形成气泡层，减低海水阻力）
三、气泡船军民两用前景广阔
科学家普遍认为，气泡船，由于吃水浅、能贴近海面航行，因而在时尚的“濒海作战”中能够发挥重要突击作用。
同时，改进后各类船艇体积小，不易被雷达、红外光电等设备侦察发现，所以极易遂行隐蔽作战。
而且，采用气泡技术后，主机消耗功率小、续航力和适航性将大大增强。
据外电报道，目前俄罗斯、美国、韩国、日本、挪威、荷兰、法国等国家都在致力于这
种船型的开发研究，其中尤以俄罗斯发展最快。
1993年俄罗斯已建成世界上第一艘实用型高速气泡船“琳达”号，其排水量为24.6吨，载客70人，航速为55千米／小时，续航力为400千米；此后，又相继建成100吨级“赛加羚羊”号高速护卫艇等一批新产品。
气泡船发展还显示出良好的民用前景。
它们日常维护保养简单、离码头方便、造价较低廉、噪音小等，非常适于对发展我国内河和遮蔽海域的客运货运事业，尤其在内河中上游浅水航道更具独特优势。
由于气泡船在相同航速、相同吨位、保持航速不变情况下，可以节省20%燃油，所以比飞机有效载荷和综合效益还要大，显示出良好的经济前景。
