CN101574996A

CN101574996A - 利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法

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Publication number: CN101574996A
Application number: CNA2008100972525A
Authority: CN
Inventors: 林瑞麟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-11

Abstract

一种利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，实施步骤包括：(a)在船体船壳前缘吃水线及附近以下预定位置，设出气口供气体释出；(b)利用气体由水底释出时会垂直上升的自然现象，当气体在水底释出时，气体会贴着船壳沿倾斜壁上升，能部分隔离船壳与水之间接触，降低与船壳接触面的水平均密度；(c)配合船壳型体、航速、吃水深度及水温度的参数，利用气体释出位置选择，使气体释出是贴着船壳表面，依预定流线在预定位置浮出水面；(d)利用气体可压缩性，释出气体在高压区及低压区充当缓冲层，使其在高压区降低水对船壳的压力，在低压区降低水对船壳的吸力，达到同时降低航行时产生的压力及吸力，释出气体也具有前述步骤(b)的特性。

Description

利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法

技术领域

本发明涉及减少船体与水摩擦阻力的方法，尤其涉及一种依船体的全长、航速及吃水深度等参数，而在船体前缘的吃水线(Water Level)下方预定位置释出气体，做有利的干扰，使与船体接触的水面降低其平均密度(ρ)，而所释出的气体在高压区可以降低水对船壳的压力，在低压区可以减少水对船壳的吸力，而具有双重功效的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法。

背景技术

一般的船体包括含有动力的船只、军舰、航空母舰、邮轮、货轮、油轮、游艇、水上摩托车、模型船、水上飞机以及无动力的钻油平台、驳船等。

由于各种船体因功能性不同，其型体的设计也不相同，例如：军舰要求速度快，所以其造型是狭长的流线型，故其承载量及吃水量相对降低。而商船要求承载量及吃水量大，故其造型是宽广型，但速度相对降低，这是水(包含海水及淡水，以下全部以“水”统称)的阻力是阻碍船只航行速度的主因。

如图1所示，为一种邮轮20的立体图，图2、图3则分别为其侧视图及俯视图。这种商用邮轮的长度(L)一般都有数百公尺(m)，梁宽(B)约60至70公尺(m)，而其吃水深度(D)则与是否满载有关，一般约15至25m左右。所以，这种大型商船，其与水的接触面积是很大的，由流体力学(FluidMechanics)原理，摩擦阻力的计算公式F_D＝C_DA¹/₂ρU²，

其中：C_D(drag coefficient)：为阻力系数；

A：是与流体的接触总面积；

ρ：流体密度；

U：航速(m/s)。

如将本实施例的邮轮20的船壳30模拟成一个与海水接触的平板，其长(L)：360m，梁宽(B)：70m，吃水深度(D)25m。在10℃海水中以13节的速度航行时，则能以F_D＝C_DA¹/₂ρU²的公式，来算出该船壳30的表面摩擦阻力，在Purdue University(普波大学)Robert W.FOX等教授所著的INTRODUCTION TOFLUID MECHANICS(Sixth Edition)乙书中，曾以上述(L)、(B)、(D)及(U)数据计算出F_D的数值，其中航速是13节(每小时的海里数)，所以：

航速U＝13nm/hr×6076ft/nm×0.305m/ft×hr/3600s＝6.69m/s

又，在10℃下，对海水而言，运动黏度v＝1.37×10^-6m²/s。

经配合书中附录数据资料及计算，可得C_D＝0.00147，ρ＝1020kg/m³。

再者，该船壳30与海水接触的长(L)和宽(W＝B+2D)，

故可得与海水接触总面积A＝(360m)×(70+50)m＝43200m²。

由上述公式得到

F_D＝C_DA¹/₂ρU²

＝0.00147×43200m²×1/2×1020kg/m³×(6.69)²m²/s²×N·s²/kg·m

F_D＝1.45MN

相对应功率是

P＝F_DU＝1.45×10⁶N×6.69m/s×W·s/N·m

P＝9.70MW→约13000马力，这个数据说明了邮轮20要克服表面摩擦阻力所需的功率非常大。

由以上这一个例子得知，陆地行舟，其阻力来自空气及轮胎和路面的摩擦力；而水上行舟，其阻力来自空气阻力及船壳和水的摩擦阻力，以相同的动力在陆地行舟，比水上行舟迅速，在摄氏20℃，一个大气压下，水的密度是1，而水的密度约为空气的800倍。

于是，诸多研究是积极思考如何降低船壳与水之间的摩擦阻力(F_D)。但是，传统用以减少船壳与水之间摩擦阻力的方法，则局限于装设球鼻首及水翼，其中球鼻首主要是用以降低因船首的碎波及波反射所造成的阻力。水翼船是利用水翼来撑高船体，减少船体与水的接触面积，但是，只能应用于小型船只。另，气垫船必须用极大的气体来支撑船体，故，也只能应用于小型船只，因为水的密度(ρ)无法降低，水与船壳之间实际的摩擦阻力、高压区的压力及低压区的吸力，依然存在，仍无法加以解决。

参阅图3所示，该船壳30从船首31前端a→b，然后经船身至尾端c点，与水之间会有一层薄薄的边界层(boundary layer)，只要边界层有摩擦力，就会产生阻力，且会使得物体产生航迹32(wake)，如图3中c点以前所示的线条。c点为分离点(Scparation Point)，其使流体粒子离开物体并产生轨迹，且c点内侧形成尾流33，也即从a点到b点的流线，为高压区，且b点之后的一个小区段则形成扰流或低压区，而c点以后的尾流33则形成低压区，在高压区的水流对船壳30产生压力，而在低压区的水流则对船壳30产生吸力，无论是“压力”或“吸力”，对船壳而言，都是阻碍其向前推进的阻力，所以必须加以克服，才能提升船体的效率。

现有另一种降低摩擦阻力的新科技，是以电脑及水工试验来设计船型，针对水波做有利的干扰，但是也只能局限在有限的速率范围内才有效果，因船型无法随着不同速度，变动型体来对水波做有利干扰，故，其效果仍有限。

本发明有鉴于传统造船，在克服水的阻力问题上，仍无突破，而积极研究改良，以解决上述问题，是本发明的主要课题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其原理是利用气体从水底释出时会垂直上升的特性，当气体由船底释出时，气体会贴着船壳沿船壳倾斜壁上升，上升的气体可以部分隔离船壳与水的接触，使与船壳接触面的水，降低其平均密度，以及利用气体从水底释出时会垂直上升的特性和气体的可压缩性(compressible)，在水对船体的高、低压区释出气体，充当缓冲层，释出的气体在高压区可以降低水对船壳的压力，在低压区可以减少水对船壳的吸力，以达到降低行船时的压力及吸力双重阻力的方法。

本发明的又一目的在于提供一种利用气体由水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其勿须改变船体造型，只须在船首预定位置，装设释放气体的出气口，且配合航速及吃水深度等参数，利用释出位置的选择，使得气体从释出后是贴着船壳表面，依预定流线(flow line)在预定位置浮出水面，使其降低船壳表面阻力的效率达到最佳化。

本发明的另一目的在于提供一种利用气体由水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，是运用气体由船底释出上升时，依可压缩气体的体积是与压力成反比的原理，因水压的递减，气体体积随水压的递减而膨胀(利用气泡从30m深释出至浮出水面约膨胀4倍的特性)，应用在吃水深的大型船只，释出的气体即可获得倍数降低摩擦阻力的效果。

本发明再一目的在于提供一种利用气体由水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，利用气体由船底释出，当气体上升时，船壳曲线越大，气体从船底释出到浮上水面行程越长，降低阻力的效率越高。

本发明还一目的在于提供一种利用气体由水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，当从船底或船首释出气体，气体会贴着船壳沿船体倾斜壁上升，上升的气体对船壳有清洁擦拭的功能，可以减少海中生物附着滋长，延长进船坞保养的期限。

本发明的目的是由以下技术方案实现的。

本发明利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其特征在于，实施步骤包括：

(a)在船体的船壳前缘吃水线及其附近以下的预定位置，设有出气口供气体释出；

(b)利用气体由水底释出时会垂直上升的自然现象，当气体在水底释出时，气体会贴着船壳沿倾斜壁上升，能够部分隔离船壳与水之间的接触，降低与船壳接触面的水的平均密度；

(c)配合船壳的型体、航速、吃水深度及水温度的参数，利用气体释出位置的选择，使气体释出是贴着船壳表面，依预定流线在预定位置浮出水面；

(d)利用气体的可压缩性，释出的气体在高压区及低压区充当缓冲层，使其在高压区降低水对船壳的压力，而在低压区降低水对船壳的吸力，以达到同时降低航行时所产生的压力及吸力的双重阻力，且所释出的气体也具有前述步骤(b)的特性。

前述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其中气体包括：空气、引擎废气或者水汽化气体。

前述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其中空气及引擎废气包括由设在船壳内的加压气体供应室，经管线输送至出气口。

前述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其中出气口包括多个区段，且各区段分别由该加压气体供应室来控制出气的启闭。

前述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其中水汽化气体包括由设在船壳内的电力供应室，将电源经电线送至各个出气口周边的各区段的加热装置，以形成水汽化气体，且各区段分别由电力供应室控制启闭。

前述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其中船体包括：军用、商用、休闲或者运动用造型。

本发明利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法的有益效果，本发明所采用的技术手段包括：(a)在船体的船壳前缘吃水线及其附近以下的预定位置，设有出气口供气体释出；(b)利用气体由水底释出时会垂直上升的自然现象，当气体在水底释出时，气体会贴着船壳沿倾斜壁上升，可以部分隔离船壳与水之间的接触，降低与船壳接触面的水的平均密度；(c)配合船壳的型体、航速、吃水深度及水温度等参数，利用气体释出位置的选择，使得气体释出是贴着船壳表面，依预定流线在预定位置浮出水面；(d)利用气体的可压缩性，释出的气体在高压区及低压区充当缓冲层，使其在高压区降低水对船壳的压力，而在低压区降低水对船壳的吸力，以达到同时降低航行时所产生的压力及吸力的双重阻力，且所释出的气体也具有前述步骤(b)的特性。这样，能以同样的动力使船速更快，节省大量燃料费，达到二氧化碳减量目的。

附图说明：

图1为现有一种邮轮的立体图。

图2为现有一种邮轮的侧视图。

图3为现有一种邮轮的俯视图。

图4为本发明船壳的侧视图。

图5A、图5B为本发明的出气口设在船壳中央棱线两侧的示意图。

图6A、图6B为本发明的出气口设在船壳凸缘体中央的示意图。

图7A、图7B为本发明的出气口设在平底船的示意图。

图8为本发明船壳的部分结构放大图。

图9为本发明气体释放另一可行实施例示意图。

图10为本发明释放气体的示意图。

图11为本发明静止时的使用状态参考图。

图12为本发明航速5节的使用状态参考图。

图13为本发明航速10节的使用状态参考图。

图14为本发明航速15节的使用状态参考图。

图中主要标号说明：20邮轮、30船壳、31船首、301中央棱线、302凸缘体、303平底面、40出气口、41加热装置、50加压气体供应室、51管线、60电力供应室、61电线、70气体。

具体实施方式

参阅第四图所示，本发明较佳实施例是在一船体的船壳30前缘吃水线(Water Level，WL)及其附近以下设有供气体释放的出气口40。本实施例的船体为一邮轮20，但不限定于此，也即包括军用、商用、休闲及运动的任一造型的船体或载体都可实施。其船壳30长度以(L)，梁宽以(B)表示，吃水深度为(D)，而航速则以U表示。

本发明释放气体的出气口40其一可行实施例，是如图5A、图5B所示，设在该船壳30由船首31向后延伸的中央棱线301的相邻对应两侧面。当然，也可如图6A、图6B所示，将出气口40设在船壳30由船首31向後延伸的凸缘体302的中央底面，这样，出气口40位于正中央，可由两侧释出气体70。此外，针对比较特殊的船壳30，例如图7A、图7B所示的平底船，其除了在可沿着船首31前缘设有出气口40外，更可在平底面303的前侧设有一排横向出气口40，而可向后释出气体70，使整个平底面302与水的接触面形成缓冲层，以降低阻力。故，本发明的出气口40是可视船壳30的型体而选择，但必须在吃水线(WL)下方。

参阅图8所示，其揭示该出气口40是设在船壳30两侧接近中央棱线的实施例，以下有关出气口40的说明以本例为主。本发明的出气口40是可由固设在船壳30表面的管体所构成，该管体上设有多个气孔，该气孔可为圆孔或细长条型。这种外设型的管体所构成的出气口40，其优点是不用改变船壳30，可在出厂后再安装。而另一可行实施例是可在出厂前，即在船壳30表面设有多个出气口40也可。

再参阅图8所示，本发明的出气口40是由一设在船壳30内部的加压气体供应室50将空气或引擎室所产生的引擎废气，以管线51送至出气口40。该出气口40可设成多个区段，且分别由加压气体供应室50的管线51来控制那一个区段的出气口40释出气体。

此外，该出气口40所释出的气体，也可如图9所示，利用设在船壳30内的电力供应室60，经由一电线61将电源送至各出气口40周边的加热装置41，使水变成汽化气体而释出，而此一水汽化气体会形成气泡，贴着船壳30表面而流线上升。本实施例的各出气口40也可设成多个区段，由电力供应室60来控制各区段的开启(ON)或关闭(OFF)。

本发明利用上述技术手段，使得船壳30可在吃水线(WL)以下释出气体，且该气体的释出是可依需求选择出气口40，如图10所示，当船壳30行进时，如前所述，由船首31与水接触的a点至b点是为高压区，尤其b点位置还会形成扰流及一小段低压区，因此当船壳30行驶在某一航速时，b点处会形成一个极大表面摩擦阻力。于是，本发明此时可选择较接近吃水线(WL)位置的出气口40来大量释放气体70，而此等气体70浮出吃水线(WL)时，刚好位于该b点处，不仅可以降低水对此高压区所产生的压力，还可降低水对低压区所产生的吸力，同时消除二种阻力。

利用上述释放气体的出气口40，本发明进一步的使用状态参考图，如图11至图14所示。

首先，如图11所示，该船壳30呈静止，其航速(U)为0，此时该出气口40所释出的气体70，如图所示贴着船壳30表面沿船壳面上升。

如图12所示，为船体船壳30长300m，吃水15m，且航速为5节的使用状态图，由于气体在水中上升的速度约18m/min(气体从15m深释出，气体沿船壳曲弧度路径的行程为18m)，如在船首下方吃水线(WL)15m处释出气体，则上升气体70如图所示的流线在离船首150m处的w处浮出水面。

如图13所示，是同一尺寸的船壳30，吃水15m，航速为10节(300m/min)的使用状态图，由于气体在水中上升速度为18m/min(气体从15m深释出，气体沿船壳曲弧度路径的行程为18m)，故，在船首下方吃水线(WL))5m处释出气体，则气体70在船尾c处浮出水面。

如图14所示，是同一尺寸的船壳30，吃水10m，航速为15节(460m/min)的使用状态图，本例中的航速15节，较前述实施例都快，故，选择在船首下方吃水线约10m释出气体，则气体70刚好在船尾c处浮出水面。

以上四个使用状态，用以说明气体的释放必须考虑到船体的长度(L)、吃水深度(D)、航速(U)等各种参数，甚至须参考当时的水温，这样才能在最佳位置释出最适量的气体，使得气体的流线能贴着外壳表面而上升，使其能作用的区域达到最佳化，也即在高压区可以降低水对船壳30的压力，而在低压区可以降低水对外壳的吸力，达到同时降低行船时的压力及吸力两种阻力，使其效率提升。

也即，本发明使用前述出气口，将气体从船底释出，以降低水对船壳30的摩擦阻力。这样，以相同马力航速可以增快，或是说要达到相同的预定航速，本发明可以不用那么高马力或推进力，能节省大量的燃料费及二氧化碳排放量，在能源短缺的时代，具有正面的经济效益及环保功能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1、一种利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其特征在于，实施步骤包括：

2、根据权利要求1所述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其特征在于，所述气体包括：空气、引擎废气或者水汽化气体。

3、根据权利要求2所述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其特征在于，所述空气及引擎废气包括由设在船壳内的加压气体供应室，经管线输送至出气口。

4、根据权利要求3所述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其特征在于，所述出气口包括多个区段，且各区段分别由该加压气体供应室来控制出气的启闭。

5、根据权利要求2所述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其特征在于，所述水汽化气体包括由设在船壳内的电力供应室，将电源经电线送至各出气口周边的各区段的加热装置，以形成水汽化气体，且各区段分别由电力供应室控制启闭。

6、根据权利要求1所述的利用气体在水中释出以减少船体与水摩擦阻力的方法，其特征在于，所述船体包括：军用、商用、休闲或者运动用造型。