洪恒飛 高曉靜 本報記者 江 耘
完成3個航次任務，航行時長近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30萬噸級超大型油輪在福建省泉州港碼頭靠泊，完成多航次、長航時、多海域的節(jié)能數(shù)據(jù)收集。
“螺旋槳直徑10米，它表面敷設的柔性蒙皮材料，模擬了海豚皮的特征。”中國科學院寧波材料技術與工程研究所(以下簡稱“中國科學院寧波材料所”)海洋關鍵材料重點實驗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船應用前取得了中國船級社產(chǎn)品認證，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，團隊通過分析螺旋槳表面敷設仿生蒙皮前后進速系數(shù)、扭矩系數(shù)以及推力系數(shù)的變化，計算得到實船可節(jié)能約2%。預測在一個修船周期(2.5年)內(nèi)，實船平均節(jié)能1.5%。按此計算，一艘超大型油輪預計每年可節(jié)約燃油300噸以上，減少二氧化碳排放量900噸以上。
國際能源機構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，海運業(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)能減排關鍵技術，引領全球海洋運輸業(yè)綠色變革，對我國實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。
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，波動范圍通常為60%至70%。船用發(fā)動機在驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，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水做功。
在中國工程院院士、中國科學院寧波材料所研究員薛群基的推動下，自2022年起，中國科學院寧波材料所海洋關鍵材料重點實驗室研究員王立平和曾志翔率領研發(fā)團隊與中遠海運能源股份有限公司(以下簡稱“中遠海能”)聯(lián)合攻關船用仿生蒙皮減阻節(jié)能技術，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，并減少反推力對水的做功，進而提高螺旋槳效率，降低能耗。
海豚等海洋生物在海里游動時具有極低阻力。這是因為海豚表皮在水流作用下可形成微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生微渦流，將水流與表皮的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，結(jié)合表皮黏液的潤滑特性，能有效降低水流的湍流動能，降低水與表皮之間的剪切力。
曾志翔說，對于人造仿生減阻材料而言，表面微結(jié)構(gòu)和柔彈性易于實現(xiàn)，但要模仿海豚表皮長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度，又有類似于黏液的滑移特征。它在固體有機物分子內(nèi)部接枝了高度柔性分子刷，從而表現(xiàn)出一定液體特征。”曾志翔解釋說，由于所接枝分子鏈具有類似流體的高度動態(tài)特性，能自由旋轉(zhuǎn)與運動，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，鑒于此次測試結(jié)果，中遠海能與中國科學院寧波材料所計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洋及內(nèi)河運輸?shù)热袠I(yè)推廣應用。這必將促進營運船舶綠色化、低碳化發(fā)展。(科技日報)