一種低阻力船體結構的製作方法

2023-05-14 08:31:31

一種低阻力船體結構的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種低阻力船體結構，這種水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板通過水翼支柱固定安裝在艦艇下方，水翼板的外表面上設有由粗糙帶、凹坑或者紋理結構構成的減阻結構。安裝了這種減阻結構的水翼板的低阻力船體結構在水中運動時，具備較高的升阻比和較高的運載能量效率，在提高低阻力船體結構航速的同時達到節能減排的有益效果。
【專利說明】一種低阻力船體結構

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及水上運輸工具，更具體地說，涉及一種帶有改良水翼的低阻力船體結構。

【背景技術】
[0002]低阻力船體結構是可以進行高速航行的水中交通工具。船身的底部裝有支架，支架下方安裝有水翼板，水翼板完全或部分浸沒在水中。根據流體力學的原理，流速越大的位置，壓強越小。當船舶在水中航行時，水相對於水翼板快速流動，並且經過其上表面的水流速度大，下表面的水流速度小，這樣水翼板的上下表面就形成了壓強差，當壓強差強到一定程度時，船身就會被抬高，甚至高出水面。船身浸沒在水中的體積減小，所受到的水的阻力也相應大幅度減小，這樣，在相同的推進力下，安裝了水翼的船舶可以達到更高的速度。跟其他的高速艦艇技術相比，低阻力船體結構(主要是全浸型)的主要優點是能夠在較為惡劣的海情下航行，船身的巔簸較少。而且高速航行時所產生的興波較為少，對岸邊的影響較低。
[0003]由於現在節能減排的要求，整個航運界和造船界對於能耗指標的要求達到了新的高度。對於船舶製造來說如何減小航行的阻力一直也是很多研究院校研究的一個方向，船舶阻力的減小能夠在額定功率下達到更快的速度，達到節能減排的目的。安裝水翼雖然可以有效提高船舶的航行速度，但是目前仍有許多問題有待解決。比如水翼在水中運動時，上下翼面都與水接觸。當水流過水翼的時候，由於水本身的粘性，會在水翼表面形成一個邊界層。邊界層是一個薄層，它緊靠水翼表面，沿水翼表面法線方向存在著很大的速度梯度和旋度的流動區域。粘性應力對邊界層的水體來說是阻力，所以隨著水體沿物面向後流動，邊界層內的水體會逐漸減速，增壓。由於水體流動的連續性，邊界層會變厚以在同一時間內流過更多的低速水體。因此邊界層內存在著逆壓梯度，流動在逆壓梯度作用下，會進一步減速，最後整個邊界層內的水體的動能都不足以長久的維持流動一直向下遊進行，以致在物體表面某處其速度會與勢流的速度方向相反，即產生逆流。該逆流會把邊界層向勢流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。邊界層分離會使得阻力上升，特別是因為位在水翼前後水體的壓強差上升，使得壓差阻力變大。阻力上升就會引起速度下降，起不到水翼應該起到的作用。
[0004]此外，水翼與來流有一定攻角，翼截面有拱度，因而產生升力。水翼的運動速度不斷提高，翼面上的負壓強便不斷下降，當負壓強降至低於水在當時溫度下的飽和蒸汽壓強時，局部翼面上的水出現氣泡，當氣泡隨水流運動到高壓區的時候，氣泡收到擠壓收縮甚至發生潰滅，伴隨著氣泡的產生、發展和潰滅的循環過程，是空化的過程。空化是一種非常有害的現象，它會早成機械破壞、增大噪聲等後果，並且會引起阻力增大和升力不穩定，甚至引發災難事故。
實用新型內容
[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種性能更加優異的低阻力船體結構，這種低阻力船體結構裝備了低阻力的水翼，裝備了低阻力水翼的低阻力船體結構，在水中所受到的摩擦阻力和粘滯阻力降低，具有較高的運載能量效率，在提高航速的同時達到節能減排的有益效果。
[0006]相應地，本實用新型在不具限制性的實施例中提供了一種低阻力船體結構以解決上述技術問題，它包括船體和至少一個水翼，水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板固定安裝在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安裝在艦艇的船身下方，水翼板的外表面上設有減阻結構，水翼板的翼截面(平行於水翼運動時前進方向的截面)為機翼形或弓形或月牙形，減阻結構可以是是分布在水翼板表面的粗糙帶，粗糙帶可以是連續的一整片，也可以是斷續的幾片，多片粗糙帶可以是橫向或者縱向平行分布或者稱陣列形式規則分布，也可以是無序分布在水翼板的外表面上，根據試驗表明粗糙帶在位於距離水翼板前緣的10%?30%弦長處，其寬度為5%?20%弦長，高度為0.05mm?0.2mm可以取到較好的實用新型效果。實際上水翼可以為兩個或兩個以上，根據需要設置在船首、船身中部或者船身後部。
[0007]除了粗糙帶以外，減阻結構還可以採用設置在水翼板表面的縱橫交錯的網格狀紋理結構。紋理結構可以是直線型也可以是曲線型，或者是無規則線條形狀，紋理結構在水翼板表面的分布可以是橫向、縱向平行分布，也可以是無序地分布在水翼板的外表面上。
[0008]在本實用新型的眾多實施例中，作為最優化選擇，減阻結構宜採用分布在水翼板表面的凹坑結構。凹坑的數量可以是一個，也可以是多個。這些凹坑的形狀為圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑和不規則形狀凹坑中的一種或多種的組合。多個凹坑時，凹坑在水翼板的外表面的排列方式可以是如下的幾種:縱橫對齊排列、縱橫交錯排列、不規則排列。凹坑的深度範圍在1mm?40mm時可以取得比較理想的減阻效果。凹坑在水翼板表面的面積率可以在5%?60%範圍內進行選擇。
[0009]除了上述改進之外，水翼板在垂直於船體前進方向上的截面輪廓也可以做出一定程度的適應性改良，比如說，這個截面輪廓的形狀可以為一字形、V形、倒V形，帶水平邊倒V形、梯形和階梯淺V形中的一種。
[0010]此外，還可以對船身做進一步的改良，比如這樣設計:在平行於船體前進方向的垂直截面上，所述船體的船首至船偏後船體採用雙體滑行艇線形，船體後側底部在船體偏後處整體階躍提升；在垂直於船體前進方向的垂直截面上，從船首到船尾的船體底部側線的夾角角度逐漸增加；雙體間隙在垂直於船體前進方向的垂直截面上的形狀由帶圓角的等腰梯形過渡到圓弧形再過渡到水平線形。這種船身可以兼具滑行艇的船體優點，在船身高速iu進時，進一步減小阻力，提聞航速。
[0011]水翼在水體中運動時的邊界層，根據局部流場的雷諾數不同，邊界層內的流體可以分為層流或紊流。光滑的水翼板表面的邊界層內通常是層流，而不光滑水翼板的邊界層內的水流是紊流。紊流的邊界層受逆壓梯度的影響較小，所以不光滑的水翼板表面的邊界層的分離點相對靠後，其粘性阻力反而較光滑的水翼板更低，壓差阻力更是可以大幅度減小。
[0012]此外在水翼板表面設置減阻結構，可以增大水翼板表面的流暢湍流，使轉捩點提前，顯著提升水翼板表面的流場壓力，延緩空化發生，並且對水翼的升力影響較小。
[0013]裝備了這種水翼的低阻力船體結構，其整體所受阻力較小，航行速度和穩定性都優於普通船舶。
[0014]與現有技術相比，本實用新型的有益之處在於:
[0015]1.可以有效地推後邊界分離點，減小阻力，通常情況下，水翼艇航行時，雷諾數Re能夠達到105以上，遠遠大於發生邊界層分離的Re=60的要求，所以當低阻力船體結構正常航行時，會發生邊界層的分離現象，而水翼上的減阻結構能夠起到推遲邊界層分離點的作用，減小水翼上的粘性阻力，降低了低阻力船體結構航行時的能耗；
[0016]2.顯著提升水翼板表面的流場壓力，延緩空化發生，有效降低了機械破壞、阻力增大、升力不穩定和噪音增大等不良後果，增加低阻力船體結構航行時的穩定性，保證低阻力船體結構的安全。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是具體實施例一的結構示意圖；
[0018]圖2是帶凹坑水翼的結構示意圖；
[0019]圖3是帶粗糙帶水翼的結構示意圖；
[0020]圖4是帶表面紋理水翼的結構示意圖；
[0021]圖5是具體實施例二的結構示意圖(忽略船體上部結構)；
[0022]圖6是具體實施例二的船體前部輪廓截面圖(忽略船體上部結構);
[0023]圖7是具體實施例二的船體後部輪廓截面圖(忽略船體上部結構);
[0024]圖8是V形水翼結構示意圖；
[0025]圖9是T形水翼結構示意圖。

【具體實施方式】
[0026]下面根據具體實施例和附圖本本實用新型做進一步的說明。
[0027]如圖1所示的低阻力船體結構，包括船體3和分別設置在船身前部和後部的兩個一字形水翼，水翼的結構如圖2所示，包括水翼支柱I和水翼板2，水翼板2的翼截面形狀為機翼型，水翼板的翼展為15m,弦長為3m,在水翼板2的表面,縱橫對齊排列著圓形凹坑3。這些凹坑3的深度為30mm，凹坑3在水翼板2表面的面積率為50%。
[0028]由於傳統習慣，人們認為越光滑的表面的摩擦阻力越小，而好的材料如鈦合金材料等抗空化的效果會較好，因此傳統的研發方向多集中在通過改進水翼的外形來降低其受到的阻力，採用更好的材料來對抗空化效應，但是效果要麼不理想，要麼提高了水翼的製作成本。本實用新型的發明人克服了傳統的技術偏見一一粗糙的表面會增大摩擦阻力，將水翼板2的表面上設置了減阻結構，產生紊流的邊界層，推遲邊界分離點，提前了轉捩點，無論在減少水翼受到的阻力方面，還是減少空化的危害方面，都取得了良好的效果，並且在實驗中得到了證實。
[0029]在固定航速V=20m/s的條件下，對本實用新型所提供的水翼和同樣尺寸和外形的光滑水翼在不同攻角下所受到的升力(L，單位:牛頓)、阻力(R，單位:牛頓)、升阻比(K)進行測試，可以得到如下的實驗結果:
[0030]表1-1傳統光滑水翼的升力(L)、阻力(R)、升阻比(K)實驗數據
[0031]
S[l(n)|r(n)[κ
O2826.194392 7222.0735740.39133
345115.42233 8589.4389425.25243
576782.85787 8668.6964988.85749
693015.70574 8687.2085310.99839
7109047.414~ 8770.47694912.43346
8125011.2142 8815.95746114.18011
[0032]表1-2本實用新型水翼的升力(L)、阻力(R)、升阻比(K)實驗數據
[0033]
S [UN)[R(N)[K

O2228.87036 5574.071280.39986

345164.70515~ 6815.782736.62648

576742.92862~ 6964.7741711.0187

692942.20538~ 6979.5363913.3163

7109126.79475 7006.8362815.5743

8120997.89375 7048.7404717.1658
[0034]由表1-1可知，水翼板2表面的凹坑3對水翼的升力幾乎沒有產生影響，但是水翼所受到的阻力卻明顯減小。再把水翼所受到的阻力和升阻比進行單獨研究。隨著攻角的變大，本具體實施例和傳統光滑水翼所受到的阻力都相應增大，但是傳統光滑水翼所受到的阻力始終比本具體實施例要大。並且本具體實施例的升阻比始終比傳統光滑表面水翼要大，更加有利於安裝了本實用新型所述的低阻力船體結構的航行。
[0035]為了進一步驗證本實用新型的有益效果，在固定攻角(6° )條件下改變流體速度(模擬航速)進行進一步模擬實驗。可以得到如下的實驗數據:
[0036]表1-3傳統光滑水翼的升力、阻力和升阻比隨流體速度變化數據
[0037]
速度(m/s)~[UN)[R(N)[K
1552449.514 3088.6234 16.98151
2093015.705 8687.2085 10.99839
22.51118261.114~15066.2598 |23.34288
25121008.691~ 7220.4245 16.75922
[0038]表1-4本實用新型水翼的升力、阻力和升阻比隨流體速度變化數據
[0039]
速度(m/s) On)[r(n)[κ
1551145.983 2447.588220.8108
2092942.20538 6979.5363913.3163
22.5116806.026~4153.46128.31453
25120510.251~4782.543125.19793
[0040]結合圖6和圖7可知，流體速度在15?25m/s (接近水翼艇常規的航行速度)範圍內，本實用新型的水翼的整體升阻比都大於常規光滑水翼的升阻比。
[0041]因此可以得出結論，本實用新型使得水翼的整體升阻比得到了明顯提高，優化了水翼板的性能，取得了預期的效果，可以非常有效地降低船身所受到的阻力，在相同推力下提高船體的航行速度，或者在相同速度下節省能耗。
[0042]在本具體實施例中，凹坑3的深度可以在10?40mm範圍內進行選擇，分別取凹坑深度為10_、15_、20_、30_、35_、40_進行測試,均可以取得理想的提高升阻比的技術效果。
[0043]此外，凹坑3的形狀也可以採用圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑和不規則形狀凹坑中的一種或多種的組形式，可以採用規則或者不規則排列，均可以得到理想的提高升阻比的技術效果。
[0044]凹坑在水翼板表面的面積率在5%?60%之間，取5%、10%、20%、30%、45%、50%、55%、60%進行測試，效果均十分理想。
[0045]除了凹坑以外，水翼板表面還可以是粗糙帶4 (如圖3所示)和紋理結構6 (如圖4所示)進行粗糙化處理，也可以這幾種形式混合使用，由於混合應用較為簡單，本領域的技術人員可以很容易地結合使用，就不再一一給出圖例。
[0046]除了一字形以外，這個水翼板在垂直於船體前進方向的截面的輪廓的形狀可以為V形(如圖8所示)、倒V形，帶水平邊倒V形、梯形(如圖9所示)和階梯淺V形中的一種。
[0047]具體實施例二的結構示意圖如圖5至7所示，其與具體實施例一的區別僅在於船體I的結構有所不同，具體表現為:在平行於船體前進方向的垂直截面上，所述船體的船首至船偏後船體採用雙體滑行艇線形，船體後側底部在船體偏後處整體階躍提升；在垂直於船體前進方向的垂直截面上，從船首到船尾的船體底部側線31的夾角角度逐漸增加直至接近180° ;雙體間隙32在垂直於船體前進方向的垂直截面上的形狀由帶圓角的等腰梯形過渡到圓弧形再過渡到水平線形。這種船身可以兼具滑行艇的船體優點，在船身高速前進時，進一步減小阻力，提聞航速。
[0048]具體實施例一中對水翼表面的各種粗糙化處理方式和水翼板形狀也適用於具體實施例二。
[0049]以上實施例是供理解本實用新型之用，並非是對本實用新型的限制，有關領域的普通技術人員，在權利要求所述技術方案的基礎上，還可以做出多種變化或造型，比如上述具體實施例的各種減阻結構可以是具體實施例所示地規則排列，也可以是不規則排列，還可以是多種減阻結構組合，例如凹坑和粗糙帶、凹坑和紋理結構等等，這些變化或變型應當理解為仍屬於本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種低阻力船體結構，包括船體和至少一個水翼，水翼包括水翼支柱和水翼板，水翼板固定安裝在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安裝在船體下方，其特徵在於:所述水翼板的外表面上設有減阻結構，所述減阻結構為分布在水翼板表面的粗糙帶、紋理結構或者凹坑中的一種或多種組合，所述粗糙帶、紋理結構或者凹坑的數量最少是一個。
2.根據權利要求1所述的低阻力船體結構，其特徵在於:所述凹坑為圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑和不規則形狀凹坑中的一種或多種組合，所述凹坑的深度為1mm?40mmo
3.根據權利要求2所述的低阻力船體結構，其特徵在於:所述凹坑的數量有多個，並在水翼板的外表面縱橫對齊整齊排列，或者在水翼板的外表面縱橫交錯排列，或者在水翼板的外表面不規則排列。
4.根據權利要求3所述的低阻力船體結構，其特徵在於:所述凹坑的面積率為5%?20%。
5.根據權利要求1所述的低阻力船體結構，其特徵在於:所述水翼板的平行於艦艇前進方向的截面外輪廓為機翼型，所述粗糙帶位於距離水翼板前緣的10%?30%弦長處，粗糙帶的寬度為5%?20%弦長，高度0.05mm?0.2mm。
6.根據權利要求1所述的低阻力船體結構，其特徵在於:所述紋理結構為縱橫交錯的網格狀紋理結構，分布於所述水翼板的表面。
7.根據權利要求1至6任一項所述的低阻力船體結構，其特徵在於:所述水翼有兩個，分別設置在船身前部和後部。
【文檔編號】B63B1/26GK203946235SQ201420163524
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2014年4月4日
【發明者】李超, 王化明, 屠璐瓊, 楊秀勇, 陳俊宏 申請人:浙江海洋學院