0 引言

船舶阻力主要包括摩擦阻力、兴波阻力以及黏压阻力，在肥大型船舶上，摩擦阻力通常占据了主要部分。摩擦阻力产生于船舶行进时水与船体表面之间的黏着作用，以货船估算，其占整体阻力的60%~70%;以油轮估算，其占整体阻力的80%左右。因此，如何有效减阻始终是造船界的关注重点。减少船舶阻力的主要方法:一是船型优化设计，如利用球鼻艏以及压浪板等设计可以减少波阻力;二是改变船体浸湿表面的属性，如在船体表面涂有高性能疏水性涂料、增加表面活性剂以及气体减阻等可以减少摩擦阻力川。随着能源与环境污染等问题日益凸显，国际海事组织不断制定和出台船舶各项强制性规定，如船舶能效设计指数(EEDI)、防污染公约(MARPOL)等，使船舶在追求更高能效的同时，又必须满足防污染的要求2]。因此，气体减阻技术得到航运界的广泛关注。气体减阻发展至今，其效果在实船试验中已得到很好的验证。本文根据气体减阻的技术原理与表现形式的不同，将其分为气泡减阻与气层减阻两类，并分别介绍了技术原理、气泡发生方式以及商业化实船应用，同时就各气体减阻技术在应用中所需注意的问题作了进一步探讨。

1 气体减阻技术简介

1.1气泡减阻技术原理

气泡减阻，又称微气泡减阻，是指通过气泡发生装置，在船体底部形成一定微小体积的气泡，大量的气泡在船底聚集形成气液两相混合流，从而减小船体周围水的密度、黏性以及湍流流动结构，达到减阻效果，如图1所示。

气泡减阻的影响与多种因素有关，如气体注入速率、气体注入位置、气泡大小与形状、气泡分裂与聚合、流速和表面构造等”。两相湍流流动非常复杂，迄今为止微气泡减阻机理还没有完善的理论解释“。目前认为，微气泡减阻的基本原理是微气泡改变气液两相流的局部有效黏度和密度以及流体在壁面边界层的流动结构，从而降低液体湍流摩擦阻力的作用。

1.2气层减阻技术原理

气层减阻技术主要方式有两种:一种是在船底开设多个气泡喷射孔以形成空气层，这种技术的关键在于控制空气喷量使气泡在船底形成稳定空气层的效果，又称为气膜减阻，如图2(a)所示;另一种则是在船体底部设计有若干或一个较大凹槽，凹槽中填充以一定量的空气3，称为气腔减阻，如图2(b)所示。气腔减阻技术是气体减阻技术与气腔船的结合，通过在船体底部构建大型气腔结构，通以一定量的空气形成稳定的气层，从而将部分船底表面与水隔开，达到减阻效果。

有关研究结果表明，向凹槽中喷气，可形成稳定的长气穴，凹槽形式对长气穴的形成影响不大;凹槽深度主要影响不喷气时的阻力，喷气形成长气穴后，凹槽深度对阻力的影响不大[5]。

1.3气泡发生方式

无论气泡减阻还是气层减阻，终究以气泡的形成为基础，目前从气泡的发生方式可分为电解法、多孔板法以及倾斜板气泡法。其中以多孔板法最为常见。

1.3.1 电解法

微气泡减阻的方法被首次发现是利用电解的方法。将1个铜线圈缠绕体在完全浸没在水中，利用电解产生氢气气泡，并对浸没体阻力测量，结果显示氢气气泡对减阻十分有效6。原理图如下页图3所示。

1.3.2 多孔板法

多孔法是最简单常用的方法。它是将压缩空气通过多孔(缝)喷入船体底部外的水中形成气泡流”。下页图4是多孔介质的微气泡产生原理。

1.3.3倾斜板法

倾斜板法的基本构成为空气引入管、翼。如图5(a)所示，结构简单。基本原理是当水流通过翼时，由于翼具有一定倾斜角度，在水与空气接触面形成一定的负压，负压的大小取决于翼周围的水流速、翼的形状、角度以及翼与板之间的距离等因素【3】。负压将水面上的空气吸入，空气与水混合后穿过翼，在下游气泡破裂形成大量小气泡，如图5(b)所示。

1.3.4 各气泡发生方式对比

(1)电解法在实船中应用较少。由于需将电极浸没在水中航行，且需要大量的电极才能产生足量的氢气气泡，相比于其他两种方法，电解法成本过高。

(2)微气泡减阻中，实船应用较广的为多孔板法以及倾斜板法。多孔板法用法较简单，只需配置1mm直径的多孔板至船底，即可产生大量微气泡，较倾斜板法更为简单且气泡大小可控。

(3)倾斜板法适用于非平底结构，较多孔板法加装更为灵活。在不超过一定的吃水深度下，无需启用空压机/鼓风机，通过船舶的航行即可将空气通过负压压入翼结构中;但如果超过一定的吃水深度，负压较水压相比较小，此时需开启空压机/鼓风机进行空气输送。

2 实船应用

2.1气泡减阻应用

目前国内对气泡减阻技术尚处于研究阶段，未进行实船应用，而国外对气泡减阻技术已实现了商业化的实船应用，统称为空气润滑系统(ALS)，现阶段主要的机构为Silverstream、Mitsubishi 和 Airglide。

Silverstream空气润滑系统原理是在船底布置10~18个空气释放单元(ARUS)(ARUS个数及布置取决于船型和大小)，利用空压机将压缩空气通过管路分别排出到空气释放单元中，从而形成微气泡分布在船体底面，如图6所示。首个系统应用到40000载重吨油轮的翻新上;2014年该系统应用于MTAmalienborg，使该船在满载吃水线7~11m的情况下，速度达到10~15kn，净能量节省5%以上，性能由LR船级社、HSVA公司、Shell 以及Southampton University分别认证。随后Silverstream将气泡减阻系统安装到新造的163000总吨的Norwegian邮轮上，2016年在迈尔船厂建造的Norwegian Joy以及2017年的其他翻新邮轮上也均有应用。

该技术在邮轮上的应用被证明在吃水8~9m下，航速10~25kn下，净能量能节省5%以上「7];2016年Silverstream发布了一项空气润滑系统性能认证报告，报告再一次证实其空气润滑系统的有效性[8，随后在2018年~2020年间获得各船东青睐，Grimaldi、Finnlines以及Shell等巨头均在Ro-Ro以及LNG系列船中应用空气润滑系统，其中Grimaldi旗下名为Eco Valencia的Ro-Ro船在运用该系统后节省了5.1%的燃油与排放9]。

近年来，我国也开始加强合作，2019年沪东中华与Silverstream开展了气泡减阻在LNG船上的技术合作，并签署了谅解备忘录「。2020年威海船厂与友联船厂也分别在RoPax与VLOC上与Silverstream展开了技术合作"。

Mitsubishi的空气润滑系统(MALS)原理是在船底部布置3个空气释放单元，具体布置如图7所示。由3个空气释放单元喷出微气泡在船底部形成微气泡层「。2010年4月，Mitsubishi完成了NYK-Hinode Line公司的YAMATAI号模块运输船，该船也是世界上首个新造船安装的Mitsubishi气泡减阻系统。在实船试验中，气泡减阻系统实现了大于10%的节能效果。同年12月，Mitsubishi 完成了YAMATAI的姐妹船YAMATO，同样采用了Mitsubishi气泡减阻系统”。4年后，姐妹船保养时，气泡减阻系统能够正常运行。2016年以及2017年，Mitsubishi将其气泡减阻系统安装到了2艘 AIDA 邮轮上，但目前尚未公布邮轮的减阻效率。

Airglide是Shipwright旗下空气润滑系统产品的品牌。其由Shipwright公司专业的CFD模拟团队以及专业的BLT实验室提供技术支持。Shipwright具有强大的研发能力，也为IMO组织提供相关的数据研究技术支持。Shipwright也为三大主要邮轮公司均供应过气体减阻系统产品，但由于保密原则，详细数据未能公开。

2.2气层减阻应用

国内研究气层减阻技术的主要有上海轻航气膜减阻船舶有限公司以及中船重工702研究所，国外是荷兰DK集团。

上海轻航的气层减阻技术为上海市高新技术成果转化项目，获得国家专利。4在船长72m的1000t驳船、185m的35000t货船以及122m的424标准箱沿海集装箱船上分别加装气层减阻系统后，实现节能15.2%、13.5%以及4.75%。

702研究所自主研发的气层减阻技术具有国家专利，其自主设计研制1艘百吨级气膜减阻原理样船，已在95000载重吨的散货船(1:10缩尺比，最大排水量114t)上应用，在适用航速范围内，典型节能效果18%;设计吃水、设计航速下节能效果在11%以上(图8)。在中国长航集团的长航洋山2号400 TEU敞口集装箱船(满载排水量9100t)上得到国内首次实船应用，并获得成功。改装后的“长航洋山2”经首次实船测试，气体减阻装置的综合节能效果可达7%以上“5](图9)。

荷兰船舶气腔系统(ACS)技术开发商DK集团将具有专利技术的ACS系统成功地在1艘超大型油轮(VLCC)上进行相关测试，测试结果显示降低了15%的燃油消耗量「1。后与丹麦船东Dannebrog集团达成协议，为1艘12580载重吨多用途货物船提供ACS系统。

2.3技术总结

国内外气体减阻技术的商业化应用情况差距较大，以国外Silverstream公司的微气泡减阻应用最为广泛，减阻效果也获得船级社等权威机构的认可，目前应用情况良好。本文根据各气体减阻技术的特点，结合Silverstream公司的实船应用，对两种气体减阻技术进行总结，具体如下:

(1)气泡减阻与气层减阻均需要一个较平坦、较宽的船底面，保证气泡的稳定，减小逸出量。尤其是气层减阻，可能还需在船体底面搭建部特殊结构，以形成一个气腔来存储空气。因此，微气泡减阻相对更灵活，无需改装船底结构，更适合于翻新船的气泡减阻系统的安装。

(2)在航行过程中，利用气层减阻技术，空压机/鼓风机无需长时间运行，只需一次补气后关闭，待船体底部气层中传感器给出补气信号，才重新启动空压机进行补气。而微气泡减阻技术在船底无存储气泡的结构，因此在整个航行过程中，需要一直启用空压机/鼓风机产生微气泡。

(3)气泡减阻是在船体底部形成气液两相流，气层减阻是在船体底部形成气膜将船底与水隔开，理论上气膜减阻效率更高，目前从实船的第三方认证结果上也能得到一定的验证。但值得注意的是，在选取空气润滑减阻系统之前，应进行全局的成本估算，即平衡气泡发生装置的能耗量、系统的成本与维护成本以及减阻节省的能耗等之间的成本关系。其中，气体减阻的节能指标不能只是单一从摩擦减阻的效果来看，而是要综合船舶全部能耗。

针对该系统节能效果的评估，CCS颁布了《船舶空气润滑减阻系统检验指南》，为装有空气润滑减阻系统的船舶提供了EEDI计算方法和验证指导。

(4)无论是气泡减阻还是气层减阻，当气泡经发生装置喷出，在船体底部扩散或在气腔中泄露时，随着船舶航行将有可能进入船体尾部区域。根据Mitsubishi对长崎船厂建造的双桨运输船 YAMATAI的仿真与试验，结果表明:气泡沿船底向螺旋桨上方流动，对螺旋桨的影响可忽略不计[口]。Kawakita’]用双桨运输船模型进行静水与波浪下的气泡减阻试验，结果表明在静水直航中，进入螺旋桨区域的气泡可以忽略不计;但在斜航或波浪中，气泡会流入螺旋桨上方引起螺旋桨的脉动压力的变化，造成一定的影响。贾郑铭等18进行了不同喷气形式对船舶微气泡减阻效果的数值模拟研究，得出首中部同时喷气的减阻效果最好，同时随着中心射流比例增加，微气泡的体积分数增加，影响了螺旋桨的推进效率，因此，必须平衡减阻率与螺旋桨推进之间的效率取最优解。2016年 Silverstream的产品认证报告8作出结论:根据船体与螺旋桨检测，气泡层对螺旋桨没有空泡损伤的风险，对船体及船底防污层也不存在侵蚀的风险。因此，对于空气润滑系统对螺旋桨的损伤问题尚无准确的定论。当混有气体的水流进入螺旋桨的功能区，会对螺旋桨产生一定的影响，且与船型、喷气的位置与速率、气泡体积分数以及船舶航行状态等多种因素有关。因此，气体减阻技术对螺旋桨的影响还需进行深入研究。

3 结语

气体减阻技术概念的提出至今已有几十年，国内外相关学者也进行大量试验研究，结果表明该技术具有良好的应用前景，可广泛应用于高速艇以及低速肥大型船舶上。国内研究起步相对较晚，造成该项技术国内外商业化程度的明显差异，因此，我国必须进行深入研究，同时加大推广力度，在借鉴国外成熟技术的同时，还应考虑各气体减阻技术在实际应用所需考虑的问题，对船体的稳性、耐波性以及推进效率等方面进行技术优化，对各方面成本进行综合权衡评估，从根本上制定经济可行的空气润滑减阻方案。

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