圖為仿生蒙皮螺旋槳。研發(fā)團(tuán)隊(duì)供圖
完成3個(gè)航次任務(wù)，航行時(shí)長(zhǎng)近200天，里程逾3.5萬海里，往返于中國沿海和中東地區(qū)各大港口……近日，國際首艘安裝仿生蒙皮螺旋槳的30萬噸級(jí)超大型油輪在福建省泉州港碼頭靠泊，完成多航次、長(zhǎng)航時(shí)、多海域的節(jié)能數(shù)據(jù)收集。
“螺旋槳直徑10米，它表面敷設(shè)的柔性蒙皮材料，模擬了海豚皮的特征?！敝袊茖W(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所(以下簡(jiǎn)稱“中國科學(xué)院寧波材料所”)海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員曾志翔向記者介紹，這種船用仿生柔性減阻材料在實(shí)船應(yīng)用前取得了中國船級(jí)社產(chǎn)品認(rèn)證，滿足《控制船舶有害防污底系統(tǒng)國際公約》要求。
曾志翔介紹，團(tuán)隊(duì)通過分析螺旋槳表面敷設(shè)仿生蒙皮前后進(jìn)速系數(shù)、扭矩系數(shù)以及推力系數(shù)的變化，計(jì)算得到實(shí)船可節(jié)能約2%。預(yù)測(cè)在一個(gè)修船周期(2.5年)內(nèi)，實(shí)船平均節(jié)能1.5%。按此計(jì)算，一艘超大型油輪預(yù)計(jì)每年可節(jié)約燃油300噸以上，減少二氧化碳排放量900噸以上。
國際能源機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，海運(yùn)業(yè)的能源消耗量在全球能源消耗總量中占比約為9%，排放的二氧化碳量占全球總量的3%。突破大型船舶的節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)，引領(lǐng)全球海洋運(yùn)輸業(yè)綠色變革，對(duì)我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。
據(jù)了解，超大型油輪螺旋槳能耗效率隨載貨量和航速變化而變化，波動(dòng)范圍通常為60%至70%。船用發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，約70%的能耗轉(zhuǎn)化為推力，約15%消耗于螺旋槳剪切水做功，剩余約15%則消耗于螺旋槳反推力對(duì)水做功。
在中國工程院院士、中國科學(xué)院寧波材料所研究員薛群基的推動(dòng)下，自2022年起，中國科學(xué)院寧波材料所海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王立平和曾志翔率領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)與中遠(yuǎn)海運(yùn)能源股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中遠(yuǎn)海能”)聯(lián)合攻關(guān)船用仿生蒙皮減阻節(jié)能技術(shù)，通過人工合成方法，制備出具有類似海豚皮特征的人造材料——類液態(tài)滑移柔性減阻材料JZPU-2023，并實(shí)現(xiàn)中試生產(chǎn)。
曾志翔介紹，這一人造材料由具有類液態(tài)特征的動(dòng)態(tài)界面材料與具有0.1—0.2毫米尺寸微結(jié)構(gòu)的柔性材料耦合而成，敷設(shè)于螺旋槳表面，能夠降低螺旋槳與水之間的剪切力，并減少反推力對(duì)水的做功，進(jìn)而提高螺旋槳效率，降低能耗。
海豚等海洋生物在海里游動(dòng)時(shí)具有極低阻力。這是因?yàn)楹ｋ啾砥ぴ谒髯饔孟驴尚纬晌⒔Y(jié)構(gòu)，產(chǎn)生微渦流，將水流與表皮的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，結(jié)合表皮黏液的潤滑特性，能有效降低水流的湍流動(dòng)能，降低水與表皮之間的剪切力。
曾志翔說，對(duì)于人造仿生減阻材料而言，表面微結(jié)構(gòu)和柔彈性易于實(shí)現(xiàn)，但要模仿海豚表皮長(zhǎng)期分泌黏液的特性則比較困難。類液態(tài)材料有效解決了這一問題。
“類液態(tài)材料既能保持固體材料的強(qiáng)度，又有類似于黏液的滑移特征。它在固體有機(jī)物分子內(nèi)部接枝了高度柔性分子刷，從而表現(xiàn)出一定液體特征?！痹鞠杞忉屨f，由于所接枝分子鏈具有類似流體的高度動(dòng)態(tài)特性，能自由旋轉(zhuǎn)與運(yùn)動(dòng)，所以各種液體在這種材料表面的黏附力低且易滑移。
記者了解到，鑒于此次測(cè)試結(jié)果，中遠(yuǎn)海能與中國科學(xué)院寧波材料所計(jì)劃將該減阻材料推廣至公司旗下100余艘油輪船。
曾志翔說，未來，船用仿生柔性減阻材料將向遠(yuǎn)洋及內(nèi)河運(yùn)輸?shù)热袠I(yè)推廣應(yīng)用。這必將促進(jìn)營運(yùn)船舶綠色化、低碳化發(fā)展。
