CN101508326A - 一种利用大气压实现船舶减阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用大气压实现船舶减阻的方法，其特征是在船体外侧水线部位设有一个水气隔离带，所述水气隔离带底部浸入水中。船舶在水面移动时，船尾和船体两侧产生真空区(或负压区)，由于船体外侧有浸入水中的水气隔离带，空气无法进入水气隔离带下面的真空区，水流在大气压的作用下，迅速填补到水气隔离带下面的真空区，大大减小船尾和船体两侧水位下降的幅度，减小船舶阻力。

Description

一种利用大气压实现船舶减阻的方法

技术领域

本发明涉及船舶领域，是一种利用大气压实现船舶减阻的方法，起到节能减排的作用。

背景技术

船在水面上航行时，船体处于水和空气两种流体介质中运动，同时受到水和空气对船体的阻力，船舶航行中受到的总阻力一般按流体种类分成空气阻力和水阻力，而水阻力分成船体阻力、附体阻力、汹涛阻力，船体阻力再细分为摩擦阻力、粘压阻力、兴波阻力等，由于空气的密度和粘性系数都要比水的密度和粘性系数小得多，空气阻力只占极小部分，空气对船舶阻力的影响往往被忽略，船舶快速性的研究主要集中在摩擦阻力、兴波阻力、压差阻力这几种阻力的研究和船型的研究上。目前大部分排水型高速船采用了方艉，国内外专家一般认为方艉船增加了船体的虚长度，其尾部纵剖线坡度缓和近于直线，可使水流大致沿纵剖线方向流动，减少高速水流的扭转和弯曲程度，从而可减少能量损失，改善阻力性能。为进一步降低船尾兴波阻力，一些方艉船安装了艉翼板，艉翼板提高方艉船性能的机理一般认为有四方面，1、艉翼板的主要作用在于抑制“鸡尾流”，减小尾浪，使尾波能量损耗减少；2、艉翼板的安装相当于增加了船长，有利于兴波阻力降低；3、加装艉翼板后，船舶的尾倾有一定程度的减小，调整了船舶航行姿态；4、艉翼板可改变船后体流场，使得船体尾部下方流体减速，引起船体尾部压力增加，从而产生作用在后体上的推力，同时有利于螺旋桨效率和抗空泡性能。

以上所述方艉及艉翼板改善船舶阻力性能的机理带有一定的主观因素，目前艉翼板的安装位置、角度及尺寸设计都没有一个很好的理论作为指导，完全依靠经验设计。

本发明人认为空气阻力虽然只占船舶阻力的极小部分，但空气对船体阻力的间接影响却非常大，压差阻力的大小、边界层分离点、旋涡等都跟空气有密切的关系，另外，对于方艉及艉翼板改善船舶阻力性能的机理也持不同观点。

发明内容

本发明是一种利用大气压实现船舶减阻的方法，其特征是在船体水线部位设有一个水气隔离带，所述水气隔离带底部浸入水中。船舶在水面移动时，船尾和船体两侧产生真空区(或负压区)，由于船体外侧有浸入水中的水气隔离带，空气无法进入隔离带下面的真空区，水流在大气压的作用下，迅速填补到隔离带下面的真空区，大大减小了船尾和船体两侧水位下降的幅度，减小船舶的阻力。

为更好地理解本发明所述一种利用大气压实现船舶减阻的方法，假设有如图1所示的一个箱子，将箱子置于水气交界处，箱子的一半浸入水中，在箱子侧面开两个小孔，其中一个在水面上，一个在水面下，先密封两个小孔，将箱子抽成真空，然后迅速打开两个小孔，这时空气和水会同时喷入箱子，打开小孔的瞬间，空气喷入速度可以用公式 $v=\sqrt{2\×p\÷\mathrm{\ρ}}$ 来计算，水的速度可以用公式 $v=\sqrt{2\×(p\÷\mathrm{\ρ}+g\×h)}$ 计算，式中v代表速度，p代表大气压(101325牛顿/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，ρ代表密度，对于空气，ρ_空气＝1.29公斤/立方米，计算得v_空气≈396米/秒，而对于水，ρ_水＝1000公斤/立方米，假设小孔在水面下1米，计算得v_水≈14.9米/秒，可见空气的速度远远大于水的速度，空气将首先充满箱子，箱子里的压力很快上升到大气压，等到箱子内外气压相等后，大气压对水的速度已经没有影响，水的速度公式变为 $v=\sqrt{2\×g\×h},$ 计算得到v_水≈4.4米/秒，可见箱子内外气压平衡后水的速度大大降低。

同样的道理，船开始在水面移动时，船体尾部产生微小的局部真空区，在大气压作用下，空气迅速填满水平面以上部分真空区，而水平面以下的真空区(以下简称A区)，空气和水会同时填补A区，由于空气的密度要比水的密度小得多，空气填补A区的速度远远比水填补A区的速度大，A区大部分先被空气占据，A区压力迅速升高到大气压，水由原来同时受大气压和重力的共同作用填补A区变为只靠水位差在重力驱动下以更慢的速度流向被空气占据的A区，最后将A区空气挤出。由于受空气的影响，水填补A区的速度变得太慢，随着船体的逐渐移动，船尾后的水位低于水平面，形成一个水坡，而在船头，由于水流动压的原因造成水位抬高，产生压差阻力。

另一方面，在船头，水流被船体推开，靠近水面的上层水流，其速度可以分解为与船行进方向相对应的纵向、横向和垂直于水平面的三个方向的分速度，水流在垂直于水平面方向有一定的分速度，存在一定动能，在重力的作用下，激起水波，造成能量损失；而水流在横向有分速度，水流会远离船体，造成船体两侧水位降低，空气首先填补到船体两侧，水在重力作用下慢慢流回船体两侧，由于船在移动，水无法及时流回到船体两侧，船体在重力的作用下往下沉，直到船体重力与浮力平衡，这也进一步增加了船体前后的差压阻力。

根据以上分析可见，由于空气密度小，空气抢先填补船体外侧水气交界面的真空区(或负压区)，导致水无法及时填补真空区而产生的水位差是影响船体压差阻力、兴波阻力的一个重要因素，另外这也是造成船体两侧水流边界层分离点提前、旋涡等现象的重要因素。

本发明依据以上分析的机理在船体水线部位做出一个水气隔离带，水气隔离带底部浸入水中。船在水面移动时，由于船尾有浸入水中的隔离带，空气无法进入隔离带下面的区域，水在相当于10米水柱压力的大气压作用下，迅速填补到船尾，减少船尾水位下降。在船头，对于没有安装水气隔离带的常规船体，水流因动能转换为位能而抬升水位，再在重力的作用下激起水面的波浪，造成能量损失，而在船头水线位置安装隔离带后，船头的水流动受到水气隔离带的限制，无法抬升水位转换为位能，而是直接转换为压力能，在压力的作用下把船头的水推向两侧而做功，能量得到最大的回收利用，另一方面，船头的水流在两侧被推离船体，造成船体两侧水位降低，部分水在重力的作用下慢慢流回到船体两侧，如果船体两侧水线位置安装有水气隔离带，空气无法进入水气隔离带下面的区域，在相当于10米水柱压力的大气压作用下，水迅速填补到船体两侧、贴紧船体向后流动，这样船体两侧的水位也基本上不会下降，船体下沉极小，减小了船体前后的差压阻力，船体两侧的旋涡也将大大减小。

附图说明

图1空气和水通过小孔同时进入真空箱的示意图；

图2方艉型船体尾部安装水气隔离带实施方案的示意图；

图3方艉型船体尾部安装水气隔离带及短尾巴实施方案的示意图；

图4尖头尖艉型船体尾部安装水气隔离带实施方案的示意图；

图5尖头尖艉型船体首尾都安装水气隔离带实施方案的示意图；

图6尖头尖艉型船体全部安装水气隔离带实施方案的示意图。

图7船体与水气隔离带为一体的实施方案的示意图。

(1)船体；

(2)水气隔离带；

(3)短尾巴。

具体实施方式

本发明所述水气隔离带的作用是在船体外侧水平面位置将水和空气隔开，其形状可以是任意形状，为降低成本，一般采用固定安装方式。理论上，所述水气隔离带采用薄平板、纵倾角设计为0度，且底部接近水面的效果最佳，但由于船舶航行时姿态在变化，为适应船舶航态的变化，也可以将水气隔离带设计为可调式，小幅度调整水气隔离带浸入水中的深度和水气隔离带与船体的夹角可以更好的适应船舶的不同航态，以达到更好的效果。另外所述水气隔离带可以围绕船体一圈全部安装也可以局部安装。

1、方艉型船体尾部安装水气隔离带实施方案

目前大部分排水型高速船都采用了方艉，本发明人认为方艉船的尾部比较宽，其底部近似为平板并浸在水中，实际上已经起到一定水气隔离的作用，这是它改善阻力性能的原因，而方艉船尾部采用方艉形状，水流沿纵剖线方向流动，水流不能顺利绕流到船后，无法填补到船尾，这恰恰是造成船体差压阻力变大的原因，另外，方艉船的船尾底部浸入水中的深度过深，船尾底部以上的水还会受到空气的影响，方艉船安装艉翼板后，船尾底部以上的水受到空气的影响变小，能进一步防止水位下降，但目前方艉船安装的艉翼板，其宽度都小于或等于船尾宽度，不利于船体两侧水流绕流到船后。

对已经建好的方艉船，可以在其尾部加装一个如图2所示的薄板型水气隔离带，而且水气隔离带应向船体两侧外延伸，其宽度大于相同水平位置船艉的宽度，以便更好地把水流从船体两侧引流到船体后面，减少水位的下降，以达到减阻的作用。

2、方艉型船体尾部安装水气隔离带及短尾巴实施方案

安装水气隔离带及短尾巴实施方案是在方艉型船体的尾部加装一个流线型的短尾巴，短尾巴靠近水线的位置安装薄板型水气隔离带。这种方案，因为流线型的短尾巴能让水流更容易绕流填补到船后，可以进一步减少方艉型船体尾部水位下降，减小船体阻力。

3、尖头尖艉型船体尾部安装水气隔离带实施方案

由于受空气的影响，尖艉型船舶在未安装水气隔离带前的阻力性能要比尺寸相当的方艉型船舶的阻力性能差，但在水线位置安装薄板型水气隔离带后，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种安装水气隔离带的方艉型船舶的阻力性能还好。

4、尖头尖艉型船体头尾安装水气隔离带实施方案

尖头尖艉型船舶除尾部安装薄板型水气隔离带外，在船头水线部位也安装薄板型水气隔离带，这种方案比前面3种方案的效果都要好，这种方案除了减少船尾的水位降低外，还可以减少船体两侧的水位降低，并回收船头排开的水流的部分能量。

5、尖头尖艉型船体全部安装水气隔离带实施方案

这种方案与前一种方案的差别是在船体两侧最宽的中部位置也安装薄板型水气隔离带。船体中部两侧的水气隔离带能减小两侧的波浪，减少船体两侧的涡流，但也会增加船体摩擦阻力，两侧水气隔离带能否进一步减小船体总阻力还有待实验验证。

6、将水气隔离带与船体直接做成一体

将船体直接做成如图7所示的结构，船体在水线位置延伸出一个水平的区域作为水气隔离带。

Claims (1)

1.一种利用大气压实现船舶减阻的方法，其特征是在船体外侧设有水气隔离带，所述水气隔离带为任意形状，其底部浸入水中，航行时浸入深度在0至80厘米之间，所述水气隔离带可以在船体外侧全部安装也可以局部安装，对于方艉型船舶，船艉后面安装的水气隔离带，其特征在于水气隔离带的宽度大于同一水平位置船艉的宽度或者其下方有一个短尾巴。

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