CN101400567A - 用于减小浸没表面上的流体拖曳力的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于通过将空气夹带到在沿水面船只的船体的边界层流动中流动的水中来降低所述船体上的表面摩擦拖曳力的设备及方法。所述设备通过将所述流动的第一部分转向远离所述船体的表面来产生降低压力区域。在所述降低压力区域中形成气穴且通过喷嘴将所述流动的第二部分引导穿过所述气穴，所述流动的第二部分担当冲击射流且将空气夹带到所述边界层中。

Description

用于减小浸没表面上的流体拖曳力的设备及方法
技术领域
本发明涉及用于减小通过水行进的船只的船体上的表面摩擦拖曳力的装置及方法。
背景技术
表面摩擦拖曳力或“表皮摩擦”拖曳力是通过水推进水面船只所需要的总力的显著分量。减小表面摩擦拖曳力使船只能够以更高的速度及/或更高效地行进。相应地，减小表面摩擦拖曳力是水面船只及浸没船只两者的船只船体设计领域中的大量研究的主题。
特定船只船体上的表面摩擦拖曳力的量值部分取决于所述船体通过其行进的液体的粘度(通常是淡水或咸水)、所述液体的密度及所述液体与所述船体的浸没表面之间的表面张力。
如图2中所示意性显示，表面摩擦拖曳力的作用集中在“边界层”22中，边界层22是其中动量从船体14的表面16传递到液体12的液体层。动量传递在最靠近船体14的表面16的液体部分中最大且向边界层22的边缘26降低。边界层22中的动量传递导致水12相对于船体14的表面16的速度降低，且湍流度也降低。速度梯度24显示水12的相对速度从边界层26的边缘向船体14的表面16减小。相对速度由每一箭头的长度表示。
一种减小表面摩擦拖曳力的途径是将气体引入边界层22内，其降低边界层22中的流体密度及粘度。气体相对低的密度及粘度产生较小的动量传递，且因此产生较小的表面摩擦拖曳力。此技术在所属技术领域中有时称作“空气润滑”。
已在气垫船中成功实施了空气润滑，其中所述船只位于大的空气垫顶部。然而，空气垫与具有显著吃水深度的船只一同使用是不实际的，因为水压力随着深度而升高，此导致所述空气垫很快上升到水的表面。需要巨大量的力来将空气垫向下推到数英寸的水中。已部分通过使用小气泡(即，微泡)替代较大的空气垫解决此问题。小气泡在水中比大空气垫上升得慢得多。
完全使用微泡已证明非常困难。现有技术的发明在成功使用微泡来减小表面摩擦时面临三个主要技术挑战：(1)以充足的体积速率注入微泡以填充边界层的显著部分，(2)防止所述微泡移出所述边界层，及(3)随着船只速度的改变调节微泡的体积流速。
多数现有技术空气润滑系统使用泵或加压空气来供应微泡的体积。此方法在数个方面中存在不足。首先，必须花费力来抽吸或加压空气。在任何情况下，抽吸或加压空气所花费的力完全抵消来自降低的表面摩擦拖曳力的力节省。其次，将所抽吸或经加压的空气注入到所述边界层中非常困难。典型的边界层在船只的船首附近仅几毫米厚，边界层是多数现有技术系统中注入空气的地方。假设所述微泡自身直径为至少一毫米且通常以相对于所述边界层的流动F的方向的角度注入，非常难以防止所述微泡穿过所述边界层而进入自由流动水域。再次，所述现有技术不提供与船只的速度成比例变化的微泡注入流速。此导致所述微泡注入速率仅在一个速度为理想。在所有其它速度，所述注入速率高于或低于所述理想速率。
其它现有技术空气润滑系统(例如，第6,125,781号美国专利中所说明的系统)旨在使用在船只船体的浸没表面上具有一个或一个以上出入口且在相对端处向空气开放的管来使进入所述船只船体的边界层的水流充满气体。在所述现有技术系统中，假设空气将经由所述出入口“吸入”且进入所述边界层中。此假设基于有缺陷假定。已确定这些类型的系统仅在具有非常浅的吃水深度、以高速度行进的船只上起作用。举例来说，空气直到具有3.973英寸的吃水深度的船只达到90.6英里/小时的速度才开始吸入到沿所述船只的船体的边界层中。此对于多数水面船只来说并不是可行的速度。
用于减小表面拖曳力的另一种现有技术系统在所属技术领域中称作通气桅座弦，其最初用于高性能水运工具中。通气桅座弦设计的实例说明于第5,452,676号美国专利中。虽然通气桅座弦看似提供某些性能及效率改善，但现有技术的通气桅座弦不能够将显著量的空气夹带到边界层中。此部分由于现有技术的通气桅座弦在所述桅座附近不产生空气与水的湍流混合。常规通气桅座弦仅减小船体的有效表面区域，使得水的摩擦作用作用于较小的区域。所述减小仅是船体的总表面区域的小部分；因此，通气桅座弦提供很少(如果有的话)表面摩擦减小。
相应地，需要能够将气泡夹带到各种各样的船只(包括那些具有大的吃水深度的船只及以合理得多的速度起作用的系统)的边界层中的高效空气润滑系统。
发明内容
本发明包含在主要流体在邻近移动通过所述主要流体的物体的表面的边界层中流动时将次要流体夹带到所述主要流体流动中的设备。所述设备包含将所述主要流体的第一部分转向远离所述物体的表面的流动转向部件，此产生位于所述主要流体的第一部分与所述物体的表面之间的降低压力区域。所述设备还包括使所述次要流体能够流到所述降低压力区域中的开口、所述主要流体的第二部分流过的进口及位于所述进口下游的喷嘴阵列。当所述主要流体的第二部分在穿过所述喷嘴时加速。所述喷嘴经定向以引导所述主要流体的第二部分穿过所述降低压力区域，使得所述次要流体的至少一部分夹带到所述主要流体的一部分中。
另一方面，本发明包含用于减小经设计以通过主要流体推进的物体的船体上的摩擦拖曳力的方法，其中所述船体包括至少部分浸没于所述主要流体中的表面。所述方法包含首先将所述主要流体的第一部分转向远离所述物体的表面，此产生位于所述主要流体的第一部分与所述物体的表面之间的降低压力区域。提供使次要流体能够流到所述降低压力区域中的开口，所述次要流体具有比所述主要流体低的密度。通过将所述主要流体的第二部分引导穿过所述降低压力区域来将所述次要流体的至少一部分夹带到所述主要流体的一部分中。
附图说明
图1显示在水体中沿推进方向D移动的船只；
图2显示来自图1的细节区域2-2；
图3显示从夹带装置的第一实施例的底面观看的视图；
图4是沿图3的线4-4截取的剖面图；
图5显示从底面及后部显示的所述夹带装置的第二实施例；
图6显示其仰视图；
图7显示沿图6的线7-7截取的其剖面图；
图8显示从底面及后部显示的并入有所述夹带装置的第三实施例的水运工具；及
图9显示沿图8的线9-9截取的其剖面图。
具体实施方式
参照图式及随附说明可更好地理解根据本发明的夹带装置的原理及操作。为帮助理解本发明，在说明书中所引用的关于一个或一个以上图式的参考编号可在额外图式中出现，而在所述说明书中不特定参考所述额外图式。本文及权利要求书中用来说明本发明的元件的相对位置的术语(例如，“上方”及“下方”)既定是指图4、7及9中所显示的定向中的本发明。
参照图3及4，参考编号30一般是指本发明的夹带装置30。夹带装置30可形成为船只10的船体14的一部分或改装到现有船体。夹带装置30包含进口34、流动转向部件36、多个喷嘴及基础38。如说明书及权利要求书中所使用，术语“喷嘴”既定意指引导流体的流动的装置且并非既定限定为改变所述流体的速度的喷嘴。
因为夹带装置30的此实施例将浸没且是将在开放水路中移动的船只10的部分，因此夹带装置30应设计为抗腐蚀且足够耐用以经受住来自小物体的中等碰撞。相应地，夹带装置30优选地由具有抗腐蚀性特性的金属或刚性塑料制成。
夹带装置30经设计以沿船只10的船体14定位，优选地靠近船只10的船首18，如图1中所示。如将在本文中解释，在夹带装置30的下游实现表面摩擦减小的益处。因此，将夹带装置30靠近船只10的船首而放置使夹带装置30的有益作用最大化。
图4显示附装到船体14且从船体14的较低表面16向下突出到边界层22中的夹带装置30。如图4中所示，水沿方向F流动。向边界层22中的夹带装置30流动的水在图4中以简化方式表示为边界层流动的两个部分：进口流动流50及经转向流动流52。
当水接近进口34时，进口流动部分50经由开口35被抽入进口34中且引导穿过喷嘴37。进口34的形状可依据船只10的吃水深度及正常操作速度而变化，但优选地经成形以使吃水深度最小化。已发现根据由国家航空咨询委员会(NACA)论述的指导方针的低吃水深度进口形状是适合的。
经转向流动流52由流动转向器36向下引导且与进口流动流50分离。流50与52的分离在点F1与F2之间出现。最大流动分离在点F2处出现，其中经转向流动流52绕过流动转向器36的后边缘40。当经转向流动流52流过流动转向器36时其速度也提高。
为使流动分离出现，流动转向器36的后边缘40必须延伸到比船体14的表面16的紧在流动转向器36的后边缘40下游的部分更远的水中。船体14的表面16的此部分在本文及权利要求书中称作船体14的下游前边缘41。
在本发明的此实施例中，包括后边缘40的流动转向器36从船体14向下突出。另一选择为，船体14的下游前边缘41可相对于流动转向器36的后边缘40凹陷。此替代配置显示于图8&9中，所述图式论述于本文中。
流动分离及流动速度提高产生位于后边缘40与船只船体14之间的点F2处的降低压力区域。提供其上部端处向空气开放的排放口27(未显示)。排放口27包括位于喷嘴37的下游的开口28。经转向流动52的转向所提供的降低压力区域允许气穴42向下抽入到所述降低压力区域中。如本文所使用，术语“区域”及“降低压力区域”应理解为意指三维区域，即体积。
在点F2与F3之间，存在其中气穴42邻接经转向流动流52的表面43的区域。此区域将在本文及权利要求书中称作“自由表面”45。
喷嘴37优选地将进口流动流50的速度提高到排出速度V4且将进口流动流50引导穿过气穴42。然后，进口流动流50撞击自由表面45。此导致进口流动流50担当冲击射流，其将来自穴42的气泡56夹带到经转向流动流52中。优选地，喷嘴37恰好定位在船体14的表面16下方，使得进口流动流50在离开喷嘴37时与边界层22的流动F平行。
如图3中所示，在此实施例中提供三个喷嘴37。可在不同应用中提供更多或更少数量的喷嘴37。每一喷嘴37的收敛量(即，喷嘴喉部的直径与进口的直径的比率)经选择以使得进口流动流50具有充足的排出速度V4以夹带空气。应避免不必要的高收敛，因为喷嘴处的反压力直接与每一喷嘴的收敛量成比例。
为使空气的夹带发生，进口流动流50的速度V4(包括方向及量值)必须不同于经转向流动流52沿撞击区域中的自由表面45的速度V5。在此实施例中，经转向流动流52的速度V5在点F3处以相对于进口流动流50的速度V4的45度角度引导。
夹带装置30的下游、进口流动流50与经转向流动流52会合。空气夹带到进口流动流50中会降低边界层流动22的粘度及密度。如上所述，所述边界层中降低的粘度及密度导致表皮摩擦拖曳力的相应减小。举例来说，据估计50％的空气/水混合物将使浸没船只的船体上的表皮摩擦减小约50％。
夹带装置30的基本功能是产生空气被抽入其中的降低压力区域且通过夹带装置30下游的湍流混合将空气夹带到边界层流动22中。在此实施例中，通过以提高的速度将第二流动流引导穿过空气来产生所述湍流混合。夹带装置30的位置、大小及布置当然将取决于船只10及船体14的大小及配置。在多数应用中，将需要在船首18附近的位置处跨越船体14将夹带装置30的阵列布置成行。所述夹带装置30阵列优选地横切船只10的推进方向D。夹带装置30的数量将取决于船体14的宽度。在某些应用中，可能需要包括多行夹带装置30，尤其在具有极长船体的船只中。
可针对夹带装置30使用不同的配置，例如图5-7中所示的替代实施例。在图5-7中，对应于夹带装置30的第一实施例中所示特征的特征由增加因数100的参考编号指示。举例来说，所述夹带装置的第二实施例由参考编号130指示。图4中的速度参考点(V1到V4)及流动参考点(F1到F4)分别对应于图7中的V1B到V4B及F1B到F4B。夹带装置130类似于夹带装置30的第一实施例，在于其包括进口134、转向部件136及多个喷嘴137。夹带装置130的第二实施例与第一实施例30之间的主要区别在于转向部件136的较缓坡度及进口134的形状。这些区别最佳见于图7中。
本发明的又一实施例显示于图8-9中，其中对应于夹带装置30的第一实施例中所显示特征的特征由增加因数200的参考编号指示。举例来说，所述夹带装置的第二实施例由参考编号230指示。图4中的速度参考点(V1到V4)及流动参考点(F1到F4)分别对应于图7中的V1c到V4c及F1c到F4c。
图8-9中所示的夹带装置230实质上以与本文所说明的两个其它实施例相同的方式起作用，但适用于高速机动船。夹带装置230包括包含优选地横向延伸跨越船只10的船体214的通道的排放口226。排放口226延伸到水线270上方的点，使得空气可流进及流出排放口226。
在此实施例中，流动转向器236的后边缘240与排放口226的前边缘一致且船体214的下游前边缘241与排放口226的后边缘一致。流动转向器236不从船体214的表面216向下突出。而是，船体214的下游前边缘241相对于流动转向器236的后边缘240凹陷，即其在水中比流动转向器236的后边缘240定位地稍高。
如在本发明的其它实施例中，此实施例包括将进口流动流250引导穿过喷嘴237的进口234。包括进口234及喷嘴237产生撞击混合，且因此产生比常规通气桅座弦多得多的空气夹带。本发明的夹带装置也可用于除水面船只以外的应用。举例来说，通过将所述夹带装置放置于管道的内表面上，所述夹带装置可用于减小管道流动中的摩擦。
所属技术领域中的技术人员认识到，可在不背离本发明的宽广发明概念的前提下对上文所说明的本发明实施例做出改变。因此，应了解，本发明并不限于所揭示的特定实施例，但既定涵盖归属于本发明的精神及范围内的所有修改。

Claims (20)

1、一种设备，其在主要流体沿物体的表面流动时将次要流体夹带到所述主要流体流动中，所述设备包含：
进口，所述主要流体的第一部分流过所述进口，所述主要流体的所述第一部分通过第一开口进入所述进口且通过至少一个喷嘴离开所述进口；
流动转向部件，其位于所述进口的所述第一开口的下游，所述主要流体的第二部分流过所述流动转向部件上方；
第二开口，其使所述次要流体能够流到第一区域中，所述第二开口位于所述流动转向部件处或所述流动转向部件下游且在所述物体的所述表面与所述主要流体的所述第二部分之间；
自由表面，其位于所述主要流体的所述第二部分邻接所述第一区域的地方；且
其中所述至少一个喷嘴将所述主要流体的所述第一部分引导穿过所述自由表面，使得所述次要流体的至少一部分被夹带到所述主要流体的一部分中。
2、如权利要求1所述的设备，其中所述流动转向部件包括所述流动转向部件的下游端处的后边缘，所述物体的所述表面包括位于所述流动转向部件的所述后边缘下游的下游前边缘，且所述后边缘位于所述下游前边缘下方。
3、如权利要求2所述的设备，其中所述流动转向部件从所述物体的所述表面向下突出。
4、如权利要求2所述的设备，其中所述至少一个喷嘴位于所述下游前边缘下方及所述后边缘上方。
5、如权利要求4所述的设备，其中所述主要流体的所述第一部分沿与所述物体的所述表面平行的路径离开所述至少一个喷嘴。
6、如权利要求1所述的设备，其中所述第二开口位于所述至少一个喷嘴下游。
7、如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个喷嘴包含多个喷嘴。
8、如权利要求1所述的设备，其中所述次要流体的密度小于所述主要流体的密度。
9、如权利要求8所述的设备，其中所述主要流体是液体且所述次要流体是气体。
10、一种船只，其包含：
船体，其经设计以通过主要流体推进，所述船体具有至少部分地浸没于所述主要流体中的表面；及
至少一个夹带装置，其附装到所述表面，所述至少一个夹带装置中的每一者包括：
进口，所述主要流体的第一部分流过所述进口，所述主要流体的所述第一部分通过第一开口进入所述进口且通过至少一个喷嘴离开所述进口；
流动转向部件，其位于所述进口的所述第一开口下游，所述主要流体的第二部分流过所述流动转向部件上方；
第二开口，其使所述次要流体能够流到第一区域中，所述第二开口位于所述流动转向部件处或所述流动转向部件下游且在所述物体的所述表面与所述主要流体的所述第二部分之间；及
自由表面，其位于所述主要流体的所述第二部分邻接所述第一区域的地方；且
其中所述至少一个喷嘴将所述主要流体的所述第一部分引导穿过所述自由表面，使得所述次要流体的至少一部分被夹带到所述主要流体的一部分中。
11、如权利要求10所述的船只，其中所述至少一个夹带装置包含多个夹带装置。
12、如权利要求11所述的船只，其中所述船体经设计以沿方向D被推进且所述多个夹带装置被布置为横切推进方向D的阵列。
13、如权利要求10所述的设备，其中所述第二开口位于所述至少一个喷嘴下游。
14、如权利要求10所述的设备，其中所述至少一个喷嘴包含多个喷嘴。
15、如权利要求10所述的设备，其中所述次要流体的密度小于所述主要流体的密度。
16、如权利要求10所述的设备，其中所述流动转向部件包括所述流动转向部件的下游端处的后边缘，所述物体的所述表面包括位于所述流动转向部件的所述后边缘下游的下游前边缘，且所述后边缘位于所述下游前边缘下方。
17、如权利要求16所述的设备，其中所述主要流体的所述第一部分沿与所述物体的所述表面平行的路径离开所述至少一个喷嘴。
18、一种用于减小经设计以通过主要流体推进的物体的船体上的摩擦拖曳力的方法，所述船体具有至少部分地浸没于所述主要流体中的表面，所述方法包含：
将所述主要流体的第一部分与所述主要流体的第二部分分离，此产生位于所述主要流体的所述第二部分与所述物体的所述表面之间的降低压力区域；
提供使次要流体能够流到所述降低压力区域中的开口，所述次要流体具有比所述主要流体低的密度；及
通过使所述主要流体的所述第二部分与所述主要流体的所述第一部分碰撞来将所述次要流体的至少一部分夹带到所述主要流体的一部分中。
19、如权利要求18所述的方法，其中通过使所述主要流体的所述第二部分与所述主要流体的所述第一部分碰撞来将所述次要流体的至少一部分夹带到所述主要流体的一部分中包含将所述主要流体的所述第一部分引导穿过所述降低压力区域。
20、如权利要求19所述的方法，其中通过使所述主要流体的所述第二部分与所述主要流体的所述第一部分碰撞来将所述次要流体的至少一部分夹带到所述主要流体的一部分中进一步包含将所述主要流体的所述第一部分传递穿过提高所述主要流体的所述第一部分的速度的喷嘴。
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