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《船舶气层减阻分布式阻力测量模型试验方法》标准化发展报告

StandardizationDevelopmentReportonDistributedResistanceMeasurementModelTestMethodforAirLayerDragReductionofShips

摘要

随着国际海事组织（IMO）对船舶能效设计指数（EEDI）和排放指数（EXI）的强制性要求日益严格，船舶节能减排技术成为全球航运业的重点研究方向。气层减阻技术因其显著的节能潜力（实船应用可达5%-10%的能效提升），被公认为未来满足IMO第四、第五阶段减排目标的关键技术之一。然而，由于气层减阻的复杂流体动力学特性，其相似性、减阻效果预测及工程转化仍存在技术瓶颈。

本报告围绕《船舶气层减阻分布式阻力测量模型试验方法》的标准化需求，系统阐述了该标准的立项背景、技术范围及核心内容。标准通过规范高雷诺数条件下气层减阻的分布式阻力测量方法（包括局部阻力、气层形态观测、壁面脉动压力等），填补了大型循环水槽和深水拖曳水池中气层减阻试验方法的空白，为技术从实验室向实船应用转化提供了科学依据。报告还分析了标准对船舶设计、能效评估及减排政策实施的支撑作用，并展望了未来技术发展方向。

关键词：气层减阻（AirLayerDragReduction）、分布式阻力测量（DistributedResistanceMeasurement）、船舶能效（ShipEnergyEfficiency）、模型试验（ModelTest）、IMO减排（IMOEmissionReduction）、高雷诺数（HighReynoldsNumber）、循环水槽（CirculatingWaterChannel）

正文

1.研究背景与目的意义

国际海事组织（IMO）在《防污公约》（MARPOL）附则VI中明确要求，到2025年1月，全球商用船舶的温室气体排放需较2010年基准减少30%。船舶行业占全球碳排放总量的2.89%（IMO2020数据），而传统节能技术（如线型优化、节能推进器）已难以满足第三阶段及未来更严格的减排目标。

气层减阻技术通过在船底形成稳定气层，降低船体与水体的摩擦阻力，具有显著的工程应用潜力。然而，现有研究多基于小尺度低雷诺数模型（如大学实验室的小型水槽），其试验结果与实船高雷诺数工况存在显著差异，导致气层减阻的临界气量、减阻持续距离等关键参数难以准确预报。为此，本标准提出在大尺度高雷诺数条件下（如1:1局部平板模型或全附体船模）开展分布式阻力测量试验，解决以下核心问题：

-相似性难题：建立高/低雷诺数下气层减阻效果的关联模型；

-工程转化瓶颈：通过多参数同步测量（阻力、压力、气层形态），量化实船节能效果；

-标准化需求：统一试验设施、仪器精度及数据处理方法，确保结果可比性。

2.标准范围与核心技术内容

本标准适用于两类试验场景：

1.大型循环水槽：针对全附体船舶模型或三维平板模型，开展高流速（模拟实船航速）下的气层减阻试验；

2.深水拖曳水池：补充验证气层在动态航行条件下的稳定性。

主要技术内容包括：

-试验参数定义：明确局部阻力测量点分布、气层覆盖率（≥80%为有效减阻）、脉动压力采样频率（≥1kHz）；

-设施要求：循环水槽流速范围（3-15m/s）、湍流度（≤1%）、模型尺寸（长度≥3m）；

-数据采集规范：采用多通道同步采集系统，阻力传感器精度±0.5%FS，高速摄像机帧率≥500fps；

-结果处理：提出气层减阻效率计算公式：

\[

\eta=\frac{R_0-R_a}{R_0}\times100\%

\]

其中\(R_0\)为无气层阻力，\(R_a\)为气层减阻后阻力。

3.创新性与行业价值

-技术突破：首次将分布式阻力测量与气层形态动态观测结合，解决传统整体阻力测量无法区分局部减阻贡献的问题；

-政策支撑：为IMOEEDI/EXI认证提供试验方法依据，推动绿色船舶技术市场化；

-经济效益：以20万吨散货船为例，应用气层减阻技术年节省燃油成本约50万美元（按5%节油率计算）。

参与单位介绍：中国船舶科学研究中心（CSSRC）

作为本标准的主要起草单位，CSSRC拥有全球领先的深海技术科学国家重点实验室和大型循环水槽试验设施（长120m、宽8m、流速0-15m/s可调）。其主导的“超大型船舶气层减阻技术研究”项目已成功在40万吨矿砂船上实现工程应用，实测减阻率达8.2%。CSSRC牵头编制了多项ISO/TC8船舶与海洋技术标准，为本标准的科学性、实用性提供了权威保障。

结论与展望

《船舶气层减阻分布式阻力测量模型试验方法》的制定，标志着气层减阻技术从理