一種利用大氣壓實現船舶減阻的方法
2023-10-26 07:17:37 1
專利名稱：一種利用大氣壓實現船舶減阻的方法
技術領域：
本發明涉及船舶領域，是一種利用大氣壓實現船舶減阻的方法，起到節能 減排的作用。
背景技術：
船在水面上航行時，船體處於水和空氣兩種流體介質中運動，同時受到水 和空氣對船體的阻力，船舶航行中受到的總阻力一般按流體種類分成空氣阻力 和水阻力，而水阻力分成船體阻力、附體阻力、洶濤阻力，船體阻力再細分為 摩擦阻力、粘壓阻力、興波阻力等，由於空氣的密度和粘性係數都要比水的密 度和粘性係數小得多，空氣阻力只佔極小部分，空氣對船舶阻力的影響往往被 忽略，船舶快速性的研究主要集中在摩擦阻力、興波阻力、壓差阻力這幾種阻 力的研究和船型的研究上。目前大部分排水型高速船採用了方艉，國內外專家 一般認為方艉船增加了船體的虛長度，其尾部縱剖線坡度緩和近於直線，可使 水流大致沿縱剖線方向流動，減少高速水流的扭轉和彎曲程度，從而可減少能 量損失，改善阻力性能。為進一步降低船尾興波阻力， 一些方艉船安裝了艉翼 板，艉翼板提高方艉船性能的機理一般認為有四方面，1、艉翼板的主要作用在
於抑制"雞尾流"，減小尾浪，使尾波能量損耗減少；2、艉翼板的安裝相當於 增加了船長，有利於興波阻力降低；3、加裝艉翼板後，船舶的尾傾有一定程度 的減小，調整了船舶航行姿態；4、艉翼板可改變船後體流場，使得船體尾部下 方流體減速，引起船體尾部壓力增加，從而產生作用在後體上的推力，同時有 利於螺旋槳效率和抗空泡性能。
以上所述方艉及艉翼板改善船舶阻力性能的機理帶有一定的主觀因素，目 前艉翼板的安裝位置、角度及尺寸設計都沒有一個很好的理論作為指導，完全 依靠經驗設計。
本發明人認為空氣阻力雖然只佔船舶阻力的極小部分，但空氣對船體阻力 的間接影響卻非常大，壓差阻力的大小、邊界層分離點、旋渦等都跟空氣有密 切的關係，另外，對於方艉及艉翼板改善船舶阻力性能的機理也持不同觀點。
發明內容
本發明是一種利用大氣壓實現船舶減阻的方法，其特徵是在船體水線部位 設有一個水氣隔離帶，所述水氣隔離帶底部浸入水中。船舶在水面移動時，船 尾和船體兩側產生真空區(或負壓區)，由於船體外側有浸入水中的水氣隔離帶，空氣無法進入隔離帶下面的真空區，水流在大氣壓的作用下，迅速填補到隔離 帶下面的真空區，大大減小了船尾和船體兩側水位下降的幅度，減小船舶的阻 力。
為更好地理解本發明所述一種利用大氣壓實現船舶減阻的方法，假設有如 圖1所示的一個箱子，將箱子置於水氣交界處，箱子的一半浸入水中，在箱子 側面開兩個小孔，其中一個在水面上， 一個在水面下，先密封兩個小孔，將箱 子抽成真空，然後迅速打開兩個小孔，這時空氣和水會同時噴入箱子，打開小
孔的瞬間，空氣噴入速度可以用公式v二^/2xp + z7來計算，水的速度可以用公式
v"2x(p + p + gxh)計算，式中v代表速度，p代表大氣壓(101325牛頓/m2)， g代表重力加速度(9.8米/秒2)， h代表小孔在水面下的深度，p代表密虔， 對於空氣，p sn二l. 29公斤/立方米，計算得v ^"396米/秒，而對於水，p水 =1000公斤/立方米，假設小孔在水面下l米，計算得V7K"14.9米/秒，可見空 氣的速度遠遠大於水的速度，空氣將首先充滿箱子，箱子裡的壓力很快上升到 大氣壓，等到箱子內外氣壓相等後，大氣壓對水的速度已經沒有影響，水的速
度公式變為N^V^i^，計算得到v^"4.4米/秒，可見箱子內外氣壓平衡後水 的速度大大降低。
同樣的道理，船開始在水面移動時，船體尾部產生微小的局部真空區，在 大氣壓作用下，空氣迅速填滿水平面以上部分真空區，而水平面以下的真空區 (以下簡稱A區)，空氣和水會同時填補A區，由於空氣的密度要比水的密度小 得多，空氣填補A區的速度遠遠比水填補A區的速度大，A區大部分先被空氣佔 據，A區壓力迅速升高到大氣壓，水由原來同時受大氣壓和重力的共同作用填補 A區變為只靠水位差在重力驅動下以更慢的速度流向被空氣佔據的A區，最後將 A區空氣擠出。由於受空氣的影響，水填補A區的速度變得太慢，隨著船體的逐 漸移動，船尾後的水位低於水平面，形成一個水坡，而在船頭，由於水流動壓 的原因造成水位抬高，產生壓差阻力。
另一方面，在船頭，水流被船體推開，靠近水面的上層水流，其速度可以 分解為與船行進方向相對應的縱向、橫向和垂直於水平面的三個方向的分速度， 水流在垂直於水平面方向有一定的分速度，存在一定動能，在重力的作用下， 激起水波，造成能量損失；而水流在橫向有分速度，水流會遠離船體，造成船 體兩側水位降低，空氣首先填補到船體兩側，水在重力作用下慢慢流回船體兩 側，由於船在移動，水無法及時流回到船體兩側，船體在重力的作用下往下沉， 直到船體重力與浮力平衡，這也進一步增加了船體前後的差壓阻力。
4根據以上分析可見，.由於空氣密度小，空氣搶先填補船體外側水氣交界面 的真空區(或負壓區)，導致水無法及時填補真空區而產生的水位差是影響船體 壓差阻力、興波阻力的一個重要因素，另外這也是造成船體兩側水流邊界層分 離點提前、旋渦等現象的重要因素。
本發明依據以上分析的機理在船體水線部位做出一個水氣隔離帶，水氣隔 離帶底部浸入水中。船在水面移動時，由於船尾有浸入水中的隔離帶，空氣無
法進入隔離帶下面的區域，氷在相當於io米水柱壓力的大氣壓作用下，迅速填
補到船尾，減少船尾水位下降。在船頭，對於沒有安裝水氣隔離帶的常規船體， 水流因動能轉換為位能而抬升水位，再在重力的作用下激起水面的波浪，造成 能量損失，而在船頭水線位置安裝隔離帶後，船頭的水流動受到水氣隔離帶的 限制，無法抬升水位轉換為位能，而是直接轉換為壓力能，在壓力的作用下把 船頭的水推向兩側而做功，能量得到最大的回收利用，另一方面，船頭的水流 在兩側被推離船體，造成船體兩側水位降低，部分水在重力的作用下慢慢流回 到船體兩側，如果船體兩側水線位置安裝有水氣隔離帶，空氣無法進入水氣隔
離帶下面的區域，在相當於io米水柱壓力的大氣壓作用下，水迅速填補到船體
兩側、貼緊船體向後流動，這樣船體兩側的水位也基本上不會下降，船體下沉 極小，減小了船體前後的差壓阻力，船體兩側的旋渦也將大大減小。
圖1空氣和水通過小孔同時進入真空箱的示意圖2方艉型船體尾部安裝水氣隔離帶實施方案的示意圖； 圖3方艉型船體尾部安裝水氣隔離帶及短尾巴實施方案的示意圖； 圖4尖頭尖艉型船體尾部安裝水氣隔離帶實施方案的示意圖； 圖5尖頭尖艉型船體首尾都安裝水氣隔離帶實施方案的示意圖； 圖6尖頭尖艉型船體全部安裝水氣隔離帶實施方案的示意圖。 圖7船體與水氣隔離帶為一體的實施方案的示意圖。
(1) 船體；
(2) 水氣隔離帶；
(3) 短尾巴。
具體實施例方式
本發明所述水氣隔離帶的作用是在船體外側水平面位置將水和空氣隔弁， 其形狀可以是任意形狀，為降低成本， 一般採用固定安裝方式。理論上，所述水氣隔離帶採用薄平板、縱傾角設計為0度，且底部接近水面的效果最佳，但 由於船舶航行時姿態在變化，為適應船舶航態的變化，也可以將水氣隔離帶設 計為可調式，小幅度調整水氣隔離帶浸入水中的深度和水氣隔離帶與船體的夾 角可以更好的適應船舶的不同航態，以達到更好的效果。另外所述水氣隔離帶 可以圍繞船體一圈全部安裝也可以局部安裝。
1、 方艉型船體尾部安裝水氣隔離帶實施方案
目前大部分排水型高速船都採用了方艉，本發明人認為方艉船的尾部比較 寬，其底部近似為平板並浸在水中，實際上已經起到一定水氣隔離的作用，這 是它改善阻力性能的原因，而方艉船尾部採用方艉形狀，水流沿縱剖線方向流 動，水流不能順利繞流到船後，無法填補到船尾，這恰恰是造成船體差壓阻力 變大的原因，另外，方艉船的船尾底部浸入水中的深度過深，船尾底部以上的 水還會受到空氣的影響，方艉船安裝艉翼板後，船尾底部以上的水受到空氣的 影響變小，能進一步防止水位下降，但目前方艉船安裝的艉翼板，其寬度都小 於或等於船尾寬度，不利於船體兩側水流繞流到船後。
對已經建好的方艉船，可以在其尾部加裝一個如圖2所示的薄板型水氣隔
離帶，而且水氣隔離帶應向船體兩側外延伸，其寬度大於相同水平位置船艉的 寬度，以便更好地把水流從船體兩側引流到船體後面，減少水位的下降，以達 到減阻的作用。
2、 方艉型船體尾部安裝水氣隔離帶及短尾巴實施方案
安裝水氣隔離帶及短尾巴實施方案是在方艉型船體的尾部加裝一個流線型 的短尾巴，短尾巴靠近水線的位置安裝薄板型水氣隔離帶。這種方案，因為流 線型的短尾巴能讓水流更容易繞流填補到船後，可以進一步減少方艉型船體尾 部水位下降，減小船體阻力。 -
3、 尖頭尖艉型船體尾部安裝水氣隔離帶實施方案
由於受空氣的影響，尖艉型船舶在未安裝水氣隔離帶前的阻力性能要比尺 寸相當的方艉型船舶的阻力性能差，但在水線位置安裝薄板型水氣隔離帶後， 尖艉型船舶的阻力性能反而比方艉型船舶的阻力性能更好，而且比第1種安裝 水氣隔離帶的方艉型船舶的阻力性能還好。
4、 尖頭尖艉型船體頭尾安裝水氣隔離帶實施方案
尖頭尖艉型船舶除尾部安裝薄板型水氣隔離帶外，在船頭水線部位也安裝 薄板型水氣隔離帶，這種方案比前面3種方案的效果都要好，這種方案除了減 少船尾的水位降低外，還可以減少船體兩側的水位降低，並回收船頭排開的水流的部分能量。
5、 尖頭尖艉型船體全部安裝水氣隔離帶實施方案
這種方案與前一種方案的差別是在船體兩側最寬的中部位置也安裝薄板型 水氣隔離帶。船體中部兩側的水氣隔離帶能減小兩側的波浪，減少船體兩側的 渦流，但也會增加船體摩擦阻力，兩側水氣隔離帶能否進一歩減小船體總阻力 還有待實驗驗證。
6、 將水氣隔離帶與船體直接做成一體
將船體直接做成如圖7所示的結構，船體在水線位置延伸出一個水平的區 域作為水氣隔離帶。
權利要求
1. 一種利用大氣壓實現船舶減阻的方法，其特徵是在船體外側設有水氣隔離帶，所述水氣隔離帶為任意形狀，其底部浸入水中，航行時浸入深度在0至80釐米之間，所述水氣隔離帶可以在船體外側全部安裝也可以局部安裝，對於方艉型船舶，船艉後面安裝的水氣隔離帶，其特徵在於水氣隔離帶的寬度大於同一水平位置船艉的寬度或者其下方有一個短尾巴。
全文摘要
本發明是一種利用大氣壓實現船舶減阻的方法，其特徵是在船體外側水線部位設有一個水氣隔離帶，所述水氣隔離帶底部浸入水中。船舶在水面移動時，船尾和船體兩側產生真空區(或負壓區)，由於船體外側有浸入水中的水氣隔離帶，空氣無法進入水氣隔離帶下面的真空區，水流在大氣壓的作用下，迅速填補到水氣隔離帶下面的真空區，大大減小船尾和船體兩側水位下降的幅度，減小船舶阻力。
文檔編號B63B1/38GK101508326SQ20091013188
公開日2009年8月19日 申請日期2009年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者李運剛 申請人:李運剛