關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。 透過購買訂閱,您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
在九月的三個日子裡,一艘外表普通的貨船在挪威的奧斯陸峽灣上下航行。 很少有隨意觀察者會猜到這艘 272 英尺(83 米)長的船隻正在空氣地毯上滑行。
空氣被泵入水線以下約 25 英尺(不到 10 米)的地下空腔中——寬闊、淺的凹槽建在船體底部——產生浮力袋,有助於減少阻力,從而使船隻更容易地穿過海面,DK Group 創始人約恩·溫克勒表示,DK Group 是一家位於鹿特丹的小型海洋工程公司,開發了新系統。 他說,由於推進船舶所需的能量更少,因此需要燃燒的石油也更少,排放量最多可減少 15%。
溫克勒報告說,他公司的 ACS 演示(空氣腔系統 (pdf))將船舶的阻力降低了高達 7%,這一效能證實了 DK Group 早期在較小模型的水池試驗中獲得的結果。 他說,更大、標準尺寸的船舶應該能夠實現更高的效率,“因為較大的船體縱搖較小,通常更穩定,這有助於保持空氣潤滑效果。”
最近的海上試驗可能會變得意義重大。 畢竟,世界商船隊——50,000 艘運輸全球貿易商品 90% 的船舶——每年排放 8 億噸二氧化碳(約佔地球總量的 5%),據國際海事組織稱。 任何能夠將新航運的運營效率提高兩位數的百分比都將是一項值得稱讚的貢獻。
該技術還將有助於解決港口汙染問題。 溫克勒說:“僅在洛杉磯長灘港口每天停靠的約 40 艘船隻,每天排放的硫氧化物和氮氧化物就比整個加利福尼亞州所有陸路交通排放的量還要多六倍。”
DK Group 的專案只是研究利用空氣減少船體阻力並提高能源效率的最新努力。 荷蘭瓦赫寧根的荷蘭海事研究所 (MARIN) 以及俄羅斯海洋工程學院等實驗室的專家調查表明,理論上,採用此類空氣輔助技術可以實現 20% 的阻力降低(儘管他們的測試從未實現超過 10% 的改進)。 日本國家海事研究所 (NMRI) 的 Yoshiaki Kodama 領導的團隊三年前嘗試的一個為船舶船體充氣潤滑的全面專案,最終僅將阻力淨降低了 3%。
阻力最大的組成部分,也是船舶設計師面臨的主要難題,是船體表面與周圍水之間的相互作用產生的摩擦阻力。 受船舶透過影響的水域(稱為邊界層)是一個湍流區域,固體表面的存在會減緩一般水流。 注入的空氣潤滑邊界層。 因為空氣的粘度(其流動阻力)僅為水的約 1%,所以船舶的移動效率更高。 史蒂文·切奇奧是密歇根大學機械工程師,領導著美國團隊進行船體阻力研究。他說:“大部分作用僅發生在距離表面一兩毫米的地方。” “一個氣泡直徑的距離就足以阻止這種效果。” 切奇奧的工作得到了國防高階研究計劃局 (DARPA) 和海軍研究辦公室的支援。
在過去的八年中,密歇根大學團隊研究了各種減少摩擦阻力的技術。 首先,它研究了將光滑的聚合物注入邊界層的水中。 切奇奧說:“在噴射器附近,阻力減少了 70%,但聚合物在湍流中會降解並擴散開來,” “這意味著它需要不斷補充,所以我們轉向了其他地方。”
研究人員接下來將直徑為一毫米或更小的氣泡射入邊界層。 他們獲得了約 6 英尺(2 米)範圍內 80% 的阻力降低,但同樣,沒有獲得滿意的結果; 氣泡拒絕長時間附著在船體表面,以對整體效率產生重大影響。 然而,如果注入足夠多的氣體,氣泡最終會聚結成漂浮膜,可以(至少暫時)位於水平船體和水之間,這就是切奇奧的團隊現在正在研究的——空氣層減阻。 在這個概念中,氣泡通常會向船尾洩漏並從船體下方逸出。 新鮮空氣將被向前注入,以不斷補充潤滑氣穴。
科學家推測,如果有人能夠找到一種低成本的方法來製造亞毫米氣泡,那麼使用更小的“微氣泡”的更有效的降阻系統可能會成為可能。 溫克勒說,他的公司正在研發一種“超微氣泡發生器”,該發生器將使現有的船體設計能夠改裝這種技術。 這些系統還需要在船體中安裝表面空腔。
那麼,最大的問題就變成了維持幾乎整個船體表面的穩定覆蓋,以便洶湧的海浪不會簡單地衝走氣泡。 持續、最大程度的覆蓋是成功的關鍵; 船體部分直接接觸水的每一毫秒都會增加阻力。 這意味著船舶可能必須配備雷達和雷射感測器來檢測迎面而來的海浪,這可以允許及時不斷調整氣流以補償洶湧的海況。
儘管空氣地毯技術的成本尚未完全計算出來,但溫克勒表示,在新船建造中增加相對簡單的氣腔系統將使建造成本增加 2% 到 3%。