漂浮在空气上的光滑船只

空气地毯船体可以航行得更快,节省燃料并减少排放


关于支持科学新闻业

如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。 通过购买订阅,您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。


在九月的三个日子里,一艘外表普通的货船在挪威的奥斯陆峡湾上下航行。 很少有随意观察者会猜到这艘 272 英尺(83 米)长的船只正在空气地毯上滑行。

空气被泵入水线以下约 25 英尺(不到 10 米)的地下空腔中——宽阔、浅的凹槽建在船体底部——产生浮力袋,有助于减少阻力,从而使船只更容易地穿过海面,DK Group 创始人约恩·温克勒表示,DK Group 是一家位于鹿特丹的小型海洋工程公司,开发了新系统。 他说,由于推进船舶所需的能量更少,因此需要燃烧的石油也更少,排放量最多可减少 15%。

温克勒报告说,他公司的 ACS 演示(空气腔系统 (pdf))将船舶的阻力降低了高达 7%,这一性能证实了 DK Group 早期在较小模型的水池试验中获得的结果。 他说,更大、标准尺寸的船舶应该能够实现更高的效率,“因为较大的船体纵摇较小,通常更稳定,这有助于保持空气润滑效果。”

最近的海上试验可能会变得意义重大。 毕竟,世界商船队——50,000 艘运输全球贸易商品 90% 的船舶——每年排放 8 亿吨二氧化碳(约占地球总量的 5%),据国际海事组织称。 任何能够将新航运的运营效率提高两位数的百分比都将是一项值得称赞的贡献。

该技术还将有助于解决港口污染问题。 温克勒说:“仅在洛杉矶长滩港口每天停靠的约 40 艘船只,每天排放的硫氧化物和氮氧化物就比整个加利福尼亚州所有陆路交通排放的量还要多六倍。”

DK Group 的项目只是研究利用空气减少船体阻力并提高能源效率的最新努力。 荷兰瓦赫宁根的荷兰海事研究所 (MARIN) 以及俄罗斯海洋工程学院等实验室的专家调查表明,理论上,采用此类空气辅助技术可以实现 20% 的阻力降低(尽管他们的测试从未实现超过 10% 的改进)。 日本国家海事研究所 (NMRI) 的 Yoshiaki Kodama 领导的团队三年前尝试的一个为船舶船体充气润滑的全面项目,最终仅将阻力净降低了 3%。

阻力最大的组成部分,也是船舶设计师面临的主要难题,是船体表面与周围水之间的相互作用产生的摩擦阻力。 受船舶通过影响的水域(称为边界层)是一个湍流区域,固体表面的存在会减缓一般水流。 注入的空气润滑边界层。 因为空气的粘度(其流动阻力)仅为水的约 1%,所以船舶的移动效率更高。 史蒂文·切奇奥是密歇根大学机械工程师,领导着美国团队进行船体阻力研究。他说:“大部分作用仅发生在距离表面一两毫米的地方。” “一个气泡直径的距离就足以阻止这种效果。” 切奇奥的工作得到了国防高级研究计划局 (DARPA) 和海军研究办公室的支持。

在过去的八年中,密歇根大学团队研究了各种减少摩擦阻力的技术。 首先,它研究了将光滑的聚合物注入边界层的水中。 切奇奥说:“在喷射器附近,阻力减少了 70%,但聚合物在湍流中会降解并扩散开来,” “这意味着它需要不断补充,所以我们转向了其他地方。”

研究人员接下来将直径为一毫米或更小的气泡射入边界层。 他们获得了约 6 英尺(2 米)范围内 80% 的阻力降低,但同样,没有获得满意的结果; 气泡拒绝长时间附着在船体表面,以对整体效率产生重大影响。 然而,如果注入足够多的气体,气泡最终会聚结成漂浮膜,可以(至少暂时)位于水平船体和水之间,这就是切奇奥的团队现在正在研究的——空气层减阻。 在这个概念中,气泡通常会向船尾泄漏并从船体下方逸出。 新鲜空气将被向前注入,以不断补充润滑气穴。

科学家推测,如果有人能够找到一种低成本的方法来制造亚毫米气泡,那么使用更小的“微气泡”的更有效的降阻系统可能会成为可能。 温克勒说,他的公司正在研发一种“超微气泡发生器”,该发生器将使现有的船体设计能够改装这种技术。 这些系统还需要在船体中安装表面空腔。

那么,最大的问题就变成了维持几乎整个船体表面的稳定覆盖,以便汹涌的海浪不会简单地冲走气泡。 持续、最大程度的覆盖是成功的关键; 船体部分直接接触水的每一毫秒都会增加阻力。 这意味着船舶可能必须配备雷达和激光传感器来检测迎面而来的海浪,这可以允许及时不断调整气流以补偿汹涌的海况。

尽管空气地毯技术的成本尚未完全计算出来,但温克勒表示,在新船建造中增加相对简单的气腔系统将使建造成本增加 2% 到 3%。

© . All rights reserved.