船体表面防污减阻技术

1绪论

1.1海洋环境特征与表现形式

1.2船舶污损

1.3船舶阻力

1.3.1船舶阻力的成因

1.3.2船舶阻力分类·

1.3.3船型对阻力的影响

1.3.4冰阻力…

1.4防污减阻在节能减排中的作用

2 船体表面污损…

2.1海洋生物污损对船舶造成的危害

2.2污损生物附着过程

2.3影响海洋生物附着的因素

2.4船体表面污损生物附着规律

3船体表面防污技术…

3.1传统的防污方法·

3.1.1有机锡类防污涂料

3.1.2无锡自抛光防污涂料

3.2绿色防污新技术…

3.2.1生物防污剂防污

3.2.2低表面能防污

3.2.3表面亲疏水性防污

3.2.4表面微结构防污

3.2.5其他防污技术·

3.3防污技术的性能评价

3.3.1实船涂装试验

3.3.2浅海挂板试验3.3.3实验室快速测试法

4船体表面阻力预报

4.1理论分析方法

4.1.1线性兴波阻力理论

4.1.2非线性兴波理论

4.1.3船体黏性绕流理论

4.2船模阻力试验方法

4.2.1船模阻力试验的依据

4.2.2船模试验池

4.2.3船模阻力试验方法和内容

4.2.4船模与实船阻力换算

4.3船舶流体动力学数值模拟

4.3.1控制方程

4.3.2湍流模型及应用

4.3.3船舶流体动力学求解过程

5 船体表面减阻技术

5.1主动减阻技术

5.1.1高分子聚合物减阻

5.1.2仿生射流表面减阻

5.1.3壁面加热减阻

5.1.4气层减阻

5.2被动减阻技术

5.2.1柔性表皮减阻

5.2.2表面微结构减阻

6 船体表面阻力与减阻性能的仿真分析

6.1计算流体动力学在船体表面减阻性能预测中的应用

6.1.1 船体绕流计算中湍流模型的选择…

6.1.2船舶运动计算网格重构技术的选择

6.1.3波浪自由表面的处理方法6.25000车位汽车滚装船的阻力计算

6.2.1船模阻力试验与实船阻力计算…

6.2.2船体阻力仿真计算

6.2.3仿真与试验结果对比

6.2.4船舶航行浮态对航行阻力的影响

6.35000车位汽车滚装船表面粗糙度及沟槽减阻影响分析

6.3.1船体表面粗糙度对船体阻力的影响

6.3.2船体表面沟槽形貌对船体阻力的影响

6.3.3表面粗糙度及沟槽减阻计算模型

6.3.4结果分析与讨论

7基于贝壳表面微结构仿生的防污减阻技术

7.1贝壳表面微结构测量

7.1.1基于二维双正交小波的贝壳表面微结构测量

7.1.2基于高斯滤波法的贝壳表面微结构测量

7.1.3一种新的贝壳表面几何尺度评价体系

7.2仿贝壳表面微结构制备

7.2.1表面微结构制备技术

7.2.2 贝壳表面微结构的仿生复型制备

7.3基于贝壳表面微结构仿生的防污技术·

7.4基于贝壳表面微结构仿生的减阻技术·

7.4.1将贝壳表面微结构进行简化的减阻仿真分析

7.4.2真实贝壳表面微结构减阻仿真分析…

7.5表面微结构协同防污减阻技术

7.5.1防污减阻协同作用的内涵

7.5.2生物防污减阻协同作用

7.5.3仿贝壳表面微结构的防污减阻协同技术

8船体表面防污减阻的未来发展

8.1船舶未来发展对船体表面防污减阻技术的需求·

8.2船体表面防污减阻技术的发展方向…

参考文献…

1绪论1.1海洋环境特征与表现形式海洋环境是指地球上连成一片的海和洋的总水域，包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、海底沉积物，以及生活于海洋中的生物。海洋不但是生命的摇篮、资源的宝库，也是地球气候的调节器，是全球生态系统的重要组成部分。海洋环境作为一个复杂的生态系统，是人类赖以生存的基础，严重影响着人类对海洋资源的开发和持续利用。海洋具有三大环境梯度，即从赤道到两极的纬度梯度，从海面到深海海底的深度梯度，以及从沿岸到开阔大洋的水平梯度。纬度梯度主要表现为赤道向两极的太阳辐射强度逐渐减弱，季节差异逐渐增大，每日光照持续时间不同，从而直接影响光合作用的季节差异和不同纬度海区的温跃层模式。深度梯度主要由于光照只能透入海水的表层(最多不超过200m)，其下方只有微弱的光或是无光，同时温度也有明显的垂直变化，底层温度很低且较恒定，压力也随深度而不断增加，有机物在深层很稀少。在水平方向上，从沿海岸向外延伸到开阔大洋的梯度主要涉及深度、营养物质含量和海水混合作用的变化，也包括其他环境因素(如温度、盐度）的波动呈现从沿岸向外洋减弱的变化。一般来说，海洋所具有的这三大环境梯度变化对海洋生物的生活、分布等各方面都有重要影响。（1)海洋气候要素海洋气候要素是指构成和反映海洋大气状态和海洋大气现象的基本因素，是表征海洋大气状态的物理量和物理现象，主要包括气温、气压、风、降水等各种天气现象。海洋气候要素构成了船舶、石油钻井平台等海工设备上层建筑及人员活动的大的环境背景，对海洋设备的设计、建造、使用、维护造成重大影响。①气温气温是衡量一个海区热量资源和自然生产力的重要指标。从气温分布的大趋势来看，气温从低纬度向两极逐渐降低；同纬度的海洋和陆地气温并不一样，夏季陆地气温高，冬季海洋气温高；地势越高，气温越低，海拔每升高100m气温下降0.6℃。造成这种分布差异的原因，主要是太阳辐射和各季不同的气团影响。②气压气压是指在大气层中，物体受大气层自身重力作用，产生于物体上的压力。随着大气高度和密度的变化，气压是不断变化的，海拔越高，大气压力就越低。空气密度越大，压力也越大。气压在水平方向的分布不均，是导致风产生的直接因素。大气压力的场变化，促使空气运动的类型也发生变化，进而引起相应的天气和气候变化。气压的空间分布和变化支配着天气系统的分布和演变。

③风

风是空气从高压区向低压区流动所形成的。作为一种重要的天气因素，风对海洋环境及人类海洋活动有着重要影响。风与海水运动关系密切，特别是对表层海流的变化，海浪的发展和传播，以及风暴水位涨落的程度有着直接的影响。风会加速海水的蒸发，影响海面的平整度，进而影响光的传播。同时，风能促使干冷空气和潮湿空气进行交换，这是天气变化的重要因素之一。大风作为海上主要的灾害性天气，给航运交通设施、港口建

筑、海上安全等带来巨大危害。如果大风遇到天文大潮，一般会形成风暴潮，引发海水倒灌，淹没大片良田，破坏堤坝等基础设施，造成巨大损失。

④降水

水蒸气在上升过程中，因气压逐渐降低、体积不断膨胀、温度降低而逐渐变为细小的水滴或冰晶飘浮在空中形成云，当水滴增大到能克服上升气流的顶托，并且在降落时不被蒸发，这样便形成了降水。降水作为一种重要的天气现象，是水量平衡不可或缺的组成部分。降水使空气含水量增大，海上能见度降低，影响航行视线，对海工设备、海上作业和人员活动均带来一定的影响。在海洋上，由于海水运动和海水比热容大的原因，白天海水温度上升较慢，大气层结构比较稳定，不易形成降水，而到了夜间，海面降温缓慢，相对于陆地，海面是高温，加之此时海面上水蒸气较丰富，使大气层结构不稳定，容易形成降水，因此，海上夜间降水量比白天要高。从全球范围来看，世界年降水量一般分布情况是由赤道向南北渐趋减少，过了副热带、高压带往南北又趋增多，过盛行西风带后降水量又趋减少，两极地区年降水量较少。

（2）海洋水文环境要素海洋水文环境要素是表征和反映海洋水文环境状态与现象的基本因素，主要包括海水的温度、盐度、密度，海浪，潮汐，海流等。海洋水文环境要素对海洋设备的设计、建造、使用、维护以及航运安全也有着深远的影响。

①海水海水中溶解有多种无机盐、有机物质、气体，含有许多悬浮物质，是一种成分很复杂的天然电解质。海水中已发现的元素近80种，绝大部分呈离子状态，主要有氯、钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、锶、硼、氟等11种，以及氧气、氢气、二氧化碳等多种气体和溶解于海水的物质(主要是氯化物，其次是硫酸盐)，此外，还有种类繁多的有机物与无机物悬浮于海水中。

船舶阻力是船舶最重要的总体性能指标之一，决定了船舶快速性能的优劣，主要包括兴波阻力、粘压阻力和摩擦阻力。船体防污和减阻一直是研究的热点，几十年来，船舶、制造、材料等领域的许多学者从不同角度对防污、减阻机理与技术进行了广泛研究，已取得了一系列的丰硕成果。但迄今为止，防污与减阻技术的研究仍分属于2个不同的研究领域，如果将微结构仿生防污延伸到微结构的主动仿生减阻，利用仿生表面微结构同时实现防污和主动减阻，构建仿生防污、减阻的一体化技术，这将具有重要意义，可望为解决防污、减阻2种技术分别使用时面临的技术难题提供新的思路。本书介绍了介绍了船舶减阻防污的技术和相关理论，提出了船体防污减阻协同作用技术的概念，分析它具有的优势，并详细介绍基于贝壳仿生的防污减阻协同作用技术及其实现手段。对于降低船舶航行阻力，降低燃油消耗和减少“碳排放”具有重要作用。