【船舶】采用ALS技术减少散货船摩擦阻力的CFD研究
白皮 书
采用ALS技术减少散货船摩擦阻力的CFD研究
由于水的粘度高于空气，因此水上移动的运载工具受到的摩擦阻力高于陆地上或空中飞行的运载工具。受不断上涨的燃油成本以及日益逼近的各种排放限制的影响，船主不得不想方设法地减少船舶阻力并降低装机功率。
为了减少表面摩擦阻力，业内研究并使用了许许多多的技术。本次研究得出结论，在环保、操作简易性、低成本以及高效节能等方面，ALS均优于其他减阻技术。报告中还指出，ALS将摩擦阻力减少80%，可以为商船和舰船节约大量燃料。
本白 皮书介绍了如何使用CFD工具进行3D数值研究，通过在船体之下注入气泡来减少摩擦阻力。
高层摘要
本 白 皮 书 详 述 了 2018 年 采 用 Siemens Digital Industries Software 工 具Simcenter ™ STAR-CCM+ ™ 软件进行的一项 3D 数值研究，研究的是通过在船体之下注入气泡来减少摩擦阻力。本研究采用载重量 (DWT) 达 8,000 吨的散货船按1:23 比例缩小的模型，对 2 种航行速度和 6 种注气速度条件下的情况进行了仿真。数值研究所采用的船舶航行速度为 10 节，其他研究则基于实现最大限度减阻后所得出的实验结果（6 节）。
Sudhir Sindagi 教授，托拉尼海事研究所，印度马德拉斯印度理工学院海洋工程系研究学者
R. Vijayakumar 博士，印度马德拉斯印度理工学院海洋工程系教授
摘要
由于水的粘度高于空气，因此水上移动的运载工具受到的摩擦阻力高于陆地上或空中飞行的运载工具。受不断上涨的燃油成本以及日益逼近的各种排放限制的影响，船主不得不想方设法地减少船舶阻力并降低装机功率。报告指出 1，流体摩擦阻力在货船总阻力中占比高达 60%；而对于油船，该数值更是跃升到了 80% 左右。因此，减少流体摩擦阻力的需求相当强烈。
为了减少表面摩擦阻力，业内研究并使用了许许多多的技术 2 ，如微肋条、聚合物、壁面加热和挠性壁壁面振动、局部空泡创建、防污涂层和超疏水表面、空气润滑系统 (ALS)，等等。此次研究关注的是两种不同的减阻技术：气泡减阻 (BDR) 和 ALS。
应用 BDR 的实验结果显示可实现高达 30% 的减阻， 而应用 ALS 的结果显示所产生的减阻超过了 80%。结论是 3、 4、5 ，在环保、操作简易性、低成本以及高效节能等方面， ALS 均优于其他减阻技术。报告中还指出，ALS 将摩擦阻力减少 80%，可以为商船和舰船节约大量燃料。
此次试验研究的地点位于印度马德拉斯印度理工学院海洋工程系的船模试验池。此次数值研究采用 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter STAR-CCM+工具对船体下方的气泡进行了仿真。研究人员利用此工具，为具有 225 个直径为 1 mm 和 2 mm 的空气注入孔的特定船体建立了仿真控制量。仿真的目的是要确定两种注入孔的有效性。
为了减少表面摩擦阻力，业内研究并使用了许许多多的技术 2 ，如微肋条、聚合物、壁面加热和挠性壁壁面振动、局部空泡创建、防污涂层和超疏水表面、空气润滑系统 (ALS)，等等。此次研究关注的是两种不同的减阻技术：气泡减阻 (BDR) 和 ALS。
“为了此次研究，西门子为我们提供了近乎无限制的Simcenter STAR-CCM+ 许 可。” 托 拉 尼 海 事 研 究 所 的Sudhir Sindagi 教 授 说 道，“这 是 我 们 在 教 育 组 织 中 广 泛使用的一款工具，因此有不少学生能够非常熟练地运用此工具。我们手头的这张计算卡绝对会令人惊叹。”
“ 在 过 去 5 年 多 的 时 间 里， 我 们 使 用 Simcenter STAR- CCM+ 的频率非常高。” 印度马德拉斯印度理工学院海洋工程系教授 R. Vijayakumar 博士表示，“它的软件界面、网格划分以及后处理非常严密，而且直观，使学生能够快速熟练运用代码。此外，这款产品还将网格划分、解算方案以及后处理功能整合到了一个套件当中。”
对注入气泡后流动参数改变的研究
任何主体的摩擦阻力都可以通过以下表达式计算：
从上述表达式可以看出，要想减少摩擦阻力，就必须降低摩擦系数 (CF)、流动液体的密度 ( ρ ) 以及浸湿面积。从之前应用 ALS 的实验可清晰看出 2 ，ALS 效果取决于液体局部的有效粘度和密度的减量，这种减量有助于减少雷诺应力。能够减少摩擦阻力的其他因素包括气泡层、近壁面相组成、沿流动方向降低湍流强度，以及避免在近壁面形成展向旋涡。
将空气注入边界层后，会形成包含气泡和水的气水混合流。随着注入空气量的增加，气泡开始聚并，形成持续覆盖表面的斑块，这些斑块与气泡共存的位置会形成过渡空气层。随着空气流速进一步加快，将形成持续空气层，导致水与表面的直接接触减少。形成的持续空气层可降低水与空气间液体的密度。图 1 所示为按时间绘制的距船尾 3,000 mm 处空气注入点的密度变化。从图 1 可以看出，密度降低约 55% 后，摩擦阻力也会降低。因液体粘度而产生的剪应力可通过以下表达式进行估算：
此处，µ 是液体的动力黏度，ρ U’V’项表示雷诺应力。
其中， U’ V’ = 
此处， q Λ 为涡流粘度， q2 为湍流能量，Λ 是包含湍流尺度的能量。
代入后，我们得到：
从上述表达式可以看出，流体中存在气泡时，混合物密度会降低，剪应力也会减少。上述方程式中的第二项被称为雷诺应力， 会随密度 ( ρ ) 的降低而减小。研究中对距船尾点 3,000 mm 处注入气泡后湍流粘度和动力黏度的变化也进行了类似观测， 结果显示在图 2 和图 3 中。在船体之下注入气泡后，局部区域的湍流粘度和动力黏度会缩减上述表达式中的第一项。类似地，注入气泡后湍流耗散率的降低也会减少摩擦阻力（如图 4 所示）。总之，密度降低、粘度降低、雷诺应力减小和湍流耗散率降低，这些变化带来的综合效果导致了摩擦阻力减小。
图2
对速度为 10 节时不同注入流速的研究
图 5 和图 6 分别显示了注入流速值为 2.5 立方英尺 / 分(CFM) 和 1.5 CFM 时 纵 向 和 横 向 摩 擦 系 数 (CF) 值 的 变化。CF 不会保持不变，其变化取决于是否形成空气层或是否存在气泡（图 7）。此外， CF 值最大降幅发生在相对于船侧的船身中心线上，也就是距船舶中心线 300 mm 处。随着距注入点纵向距离越来越远， CF 值起初会因空气层的形成而减小。而随着距离继续加大， CF 值又会上升。
此现象再一次证实了 ALS 效果会随着距注入点纵向和横向距离的增加而降低。从此前不同研究人员所开展的实验中 6、7 可以发现，在特定位置气泡会从左右两侧渗出。在此次实验中，研究人员特地选用了拥有平底的船体。结果表明，直到靠近船尾时，气泡才开始渗出（图 7）。而正是这个因素导致了此次减阻总值高于此前实验减阻总值 6、7， 因为气泡覆盖船体下方的面积达到了最大值。图 7 还显示了纵向距离的增加会导致气泡聚并形成气袋。这是纵向 CF 值变化的主要原因，由于气泡聚并形成气袋，避免了水与表面的任何接触，因此得以降低摩擦系数。如图 7 所示，聚并效果取决于船舶的速度和注气速度。速度较快时，气泡会单独移动，聚并情况较少。速度较慢时，气泡相互聚并，形成能够完全排水的空气层，最大程度地减少了摩擦阻力。
注入流速恒定但航行速度不同时纵向 CF 值的变化
研究人员研究了注气流速不同时船舶速度对 ALS 效果（纵向）的影响。从图 8 和图 9 可以看出，空气注入流速为 2.5 CFM 和 1.5 CFM 时， 船舶速度为 6 节时的 ALS 效果都更好，摩擦系数值最低。如前文所述，若要在速度较慢时实现最大减阻，就需要在船体之下形成可完全排水的空气层。
注入流速恒定但航行速度不同时横向 CF 值的变化
研究人员研究了注气流速不同时船舶速度对 ALS 效果（横向）的影响。从图 10 和图 11 也可以看出，船舶速度为6 节时的 ALS 效果更好，同样在横向生成最低摩擦系数值。此外，因横向没有气泡流入，横向的注气效果迅速消失。 总而言之，ALS 的效果会因缺少气泡沿顺流、顺翼展方向逐渐下降。
不同大小注入孔的流动参数比较
实 际 应 用 ALS 技 术时，为 减少注入 气泡所耗 功率，应增 大注入孔。 本部分提 供有关流动参数变化的深入见 解， 并且对 比了分别采用直径为 1 mm的注入孔和直径为 2 mm的 注 入 孔 时 的 船 舶总减 阻效果。研 究人员分别研究了航行速度 为 6 节 和 10 节 时采用 4 种不 同注 入速度时的效果。
图 12 对比的是分别采用直径为 2 mm 和 1 mm 这两种注入孔、CFM 为 0.5、航行速度为 6 节时，船体下方分布的空气体积分数。图 13 对比的是分别采用直径为 2 mm和 1 mm 这两种注入孔、CFM 为 2.5、航行速度为 10 节时，船体下方分布的空气体积分数。对比后发现，除了船尾空气分配有微小变化之外，船体下方的空气体积分数分布上并无重大差异，而前者的微小变化主要由气泡的聚并和破碎所引起。
结论
本白 皮书介绍了如何使用 Simcenter STAR-CCM+ 工具对注入气泡后摩擦阻力的减少进行 3D 数值研究，研究过程中采 用 实 际 DBC 达 8,000 吨 的 散 货 船 按 1:23 比例 缩 小 的模型，观测了 2 种航行速度下采用不同直径注入孔和不同注气流速时的情况。
对于船体下方的气泡注入，分别使用了直径为 1 mm 的注入孔和 2 mm 的注入孔。所得结论如下：
• ALS 效果取决于可减小雷诺应力和剪应力的液体局部有效粘度和密度
• ALS 效果同时还受船舶速度和空气注入流速的影响，后者决定了气泡是否聚并以及是否形成空气层
• 不同大小注入孔的减阻值变化微乎其微
Sindagi 教授表示：“我们已经看到了 CFD 在船舶社区就此特定领域研究发布的信息，我们可以从物理角度提供 一些替代方案建议，并就其中复杂的流体力学流量给出物理解释。”
参考信息
1. Marin,“The efficacy of air-bubble lubrication for decreasing friction resistance,”Maritech News, 2011.
2. S. Sindagi, R. Vijaykumar and B.K.Saxena,“Frictional Drag Reduction: An EFD and CFD Based Review of Mechanis ms,”International Conference on Computational and Experimental Marine Hydridynamic, March 2016.
3. S. C. Sindagi, R. Vijayakumar and B. Saxena,“Frictitional Drag Reduction: Review and Numerical Simulation of Microbubble Drag Reduction in a
Channel,”Transactions of Royal Institution of Naval Architect (RINA), International Journal Maritime Engineering, 2018.
4. S. Sindagi, R. Vijayakumar and B.K.Saxena,“CFD Investigation of MBDR Technique on Frictitional Drag Reduction of Bulk Carrier,”6th National Conference on Coastal, Harbour and Ocean Engineering, Pune, India, 2018.
5. S. C. Sindagi, R. Vijayakumar, S. Nirali and B. Saxena,“Numerical investigation of influence of Micro Bubble injection, distribution, void fraction and flow speed on frictional drag reduction,”in Proceedings of the Fourth International Conference in Ocean Engineering (ICOE2018), IIT Madras, India, 2018.
6. K. Fukuda, J. Tokunaga, T. Nobunaga, T. Nakatani and T. Iwasaki,“Frictional drag reduction with air lubricant over a super-water repellent surface,”J Mar Sci Technol, 2000.
7. K. Yoshiaki , K. Akira , T. Takahito and K. Hideki,“Experimental study on air bubbles and their applicability to ships for skin friction reduction,”International Journal of Heat and Fluid Flow 21, 2000.
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