CN103079949B - 用于生成流体的气泡以降低在船的船体上的阻力的设备及其用途、用于包括带微流体器件的装置的船的船体及降低该船体上的阻力的方法 - Google Patents
用于生成流体的气泡以降低在船的船体上的阻力的设备及其用途、用于包括带微流体器件的装置的船的船体及降低该船体上的阻力的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于生成气泡以降低船的船体上的阻力的设备，其中，气泡生成装置可以与船体的外表面附接，并且其中，设备包括用于控制生成的气泡的气泡尺寸的一个或者更多个微流体装置。
Description
技术领域
本发明基本上涉及气泡特别是微气泡的生成，以降低船的船体阻力。
背景技术
通常，需要降低船的船体的摩擦阻力，也称为阻力，因为这可以增加船的操作速度和/或减少燃料消耗。
JP10119875A公开了通过以下方法降低船的摩擦阻力的系统：通过在安装在船体的球形船头表面上的腔体上形成排放喷嘴以及通过从排放喷嘴由气压供给设备将供给的气压喷射至腔体，从而气泡和空气层介入至保持与水下表面接触的边界层。排放喷嘴由腔体的前板构成，腔体的前板具有多个孔。气压由孔喷入水中从而以气泡沿着流线传播并且覆盖水下表面的这个方式，在排放喷嘴外面生成大量气泡，从而降低摩擦。
GB2429435A公开了具有空气润滑设备的船体，空气润滑设备包括空气泵，空气泵用于将压缩空气供给至与船体和龙骨的外部附接的有孔薄膜，或者供给至与船的龙骨和船体附接或者安装在船的船体内的空气管道系统。
JP10175587A公开了一种方法，其中，将小空气气泡供给至边界层从而降低船体的摩擦阻力的生成。将气泡吹到有孔板的外面，在有孔板中，大量的小出口以给定的斜度形成。
CN2652812Y公开了一种用于降低阻力的微气泡生成器，微气泡生成器包括腔体、连接管道、压缩空气动力机以及带孔硅钢片。
但是，尽管上文中现有技术系统公开了通过气泡生成器的设备生成气泡，其中气泡生成器可以与船的船体配合，但是提供一种用于生成微气泡以在不同的操作条件下例如不同速度、水温、气流等等以有效地降低船的船体的阻力或摩擦阻力的方法仍然是一个问题。
发明内容
本发明公开了一种用于生成气泡以降低船的船体阻力的设备，其中，气泡生成装置可以与船体的外表面附接，并且其中，设备包括用于生成具有恰当定义的所生成气泡的气泡尺寸的气泡的微流体装置。在围绕船体的水的边界层即船体与周围的水之间的结合处中形成气泡。
所生成气泡的气泡尺寸可以由微流体装置进行控制，例如通过控制气泡形成流体的流动来进行控制，由此提供气泡尺寸的有效控制，该气泡尺寸的有效控制甚至在不同的操作条件下又允许有效并且可控地降低阻力。
通常，微流体装置允许流体的精确控制和操作，其中，流体在几何学上限制为小的通常为亚毫米级。通常，微流体装置可以包括提供至少一个流体路径的装置，液体路径具有小于3毫米、例如小于1毫米、例如小于500微米、例如在100纳米与500微米之间的横向尺寸。在微观尺度的流体行为可以在诸如表面张力、能量损耗以及流体阻力控制系统的方面与宏观流体的行为不同。在小规模上，其中，通道直径为约100纳米至几百微米，包括流体的动量影响和粘度影响的雷诺数可以变得非常小。这导致了流体可以在传统意义上不混合；并且在流体之间的分子运输可以通过扩散。
术语微流体装置指代用于经由微编织通道操纵连续的流体流动的任何适当微流体结构。流体流动的激发可以通过外部压力源、外部机械泵、整体的机械微型泵、或者通过毛细作用力和电动机械的结合进行实施。
生成的气泡可以是微气泡，即具有小于1毫米、例如小于200微米、例如小于150微米、例如小于100微米、例如小于50微米的直径的气泡，由此在保持足够的浮力的同时提供有效的阻力降低。通过适配生成的气泡尺寸，可以提高阻力的降低并且适合于不同的操作条件。微气泡可以通过控制诸如空气或者其它适当气体或者气体的混合物或者甚至液体的气泡形成流体的流动或者供给所生成。术语气泡形成流体为了指代任何适当的流体，例如液体、气体或者气体例如空气的混合物，所述空气当释放到围绕着船的船体的水中时形成气泡。在一些实施方式中，设备包括多组微流体装置，其中每组的微流体装置适合于以相应的预定频率生成气泡，而且其中，设备包括流动选择器，流动选择器用于将气泡形成流体的供给流动选择性地引导至微流体装置中的一组微流体装置或者具有不同频率的几组微流体装置。
在一些实施方式中，微流体装置适合于通过提供流动随时间例如周期性地变化的气泡形成流体的可控的流动以生成可控的气泡尺寸的气泡。例如，微流体装置可以适合于生成周期性变化的流动。适当的微流体装置的示例包括微流体振荡器、微流体振荡触发器、微流体放大器、微流体转换器、和/或它们的结合。例如，生成的气泡的尺寸和/或频率可以通过选择和/或控制周期性变化的流动的频率例如生成的气泡的生成频率进行控制。因此，微流体装置可以包括可控的流体放大器和/或可控的流体振荡器和/或可控的流体转换器。
进一步的优势在于提供生成的气泡流的可控的频率，因为它允许选择和/或控制气泡的频率从而控制相邻气泡之间的距离并且由此减少或者甚至将生成的气泡的结合限制到最小。
在一些实施方式中，设备是可改型翻新的装置，所述可改型翻新的装置可装配至现有的船。设备可以例如适合于在干枯的码头处的船，从而允许与设备附接的表面被适当地清理和准备。设备甚至可以通过诸如焊接、环氧粘合剂等适当的水下结合技术装配在水下。
通常，设备可以通过诸如焊接、粘合剂、环氧树脂粘合；双成分的环氧树脂结合，通过诸如永磁体等磁体装置或者它们的结合之类的任何适当的附接装置与船体的外表面例如船的底部和/或侧壁附接。
设备可以包括多个排放喷嘴或者用于生成的气泡的其它适当排放口，例如气泡形成流体以气泡的形式排出的喷嘴。一个或者更多个微流体装置中的每一个可以与一个或者更多个排放喷嘴流体连通。喷嘴可以具有用于特定船体和/或所需的气泡尺寸和/或形式的设计和布置。可以例如通过涂有诸如聚四氟乙烯涂层的亲水涂层或者疏水涂层覆盖用于生成的气泡的出口以促进流动从微流体装置中流出。
设备还可以包括用于将气泡形成流体供给至微流体装置的一个或者更多个供给通道。因此，设备可以包括用于将诸如气泡形成流体的流体的控制流动提供至微流体装置从而控制微流体装置的操作参数的一个或者更多个控制通道。
在一个实施方式中，设备形成为可以与船的船体的外表面附接的一个或多个带和/或片和/或板。板或者带的形状可以适合于与一个或者更多个特定船体形状和尺寸匹配。设备可以由诸如铁的金属、聚合物、塑料、硅树脂、聚二甲基硅氧烷、复合材料等和/或它们的结合。设备可以具有小于20毫米、例如小于10毫米、例如小于7毫米、例如小于5毫米、例如小于3毫米、例如小于2毫米、小于1毫米或者甚至小于约0.5毫米的厚度(即垂直于船的船体的外表面的尺寸)，由此降低设备生成的额外阻力。设备的外表面和/或喷嘴的内表面以及甚至微流体装置和/或通道的内表面可以涂有适当的抗污染介质或者包括抗污染介质的其它物质。
设备可以形成分层结构，例如具有基础层、一个或者更多个中间层以及覆盖层。层中的一个或者更多个可以包括例如设置在层的表面、形成微流体装置的微型结构。每个微流体装置可以设置在单层中或者由不同层的微观特征的结合构成。基础层可以提供可与船体附接并且支持中间层的支持面。基础层可以例如由金属制成，例如可以与船的船体结合的铁，例如通过焊接、通过适当的粘合剂、磁体等的设备。中间层和/或其它层可以由可以构成微流体结构的适当材料制成。适当材料的示例包括聚合物、塑料、硅树脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、诸如不锈钢等的金属或者它们的结合。微流体结构可以通过任一适当的过程形成在层中的一个或者更多个中，用于例如通过适当的刻蚀过程生成微流体结构。层中的一个或者更多个还可以包括一个或者更多个通道等等，通道用于供给气泡形成流体、用于将气泡形成流体供给至排放喷嘴等等。排放喷嘴可以在覆盖层中形成。可以替代地，喷嘴可以设置在中间层中，例如在中间层的边缘。
设备可以与空气压缩机或者用于供给气泡形成流体的其它流体供给设备连接。类似地，设备可以与用于控制设备的操作的控制单元连接。
本发明公开了一种用于生成流体气泡以降低在船的船体上的阻力的设备，其中，气泡生成装置可以与船体的外表面附接，并且其中，设备包括用于控制生成气泡的气泡尺寸的一个或者更多个微流体装置，并且其中，至少一个微流体装置包括：
-入口，入口用于供应流体的流动；
-第一通道，第一通道包括用于生成流体的气泡以降低在船的船体上的阻力的第一喷嘴，所述第一通道通过中央腔与所述入口流体连通；
-第一控制通道，第一控制通道包括第一控制入口，第一控制入口构造为控制通过所述第一喷嘴的流动，所述第一控制入口通过所述中央腔与所述入口和所述第一通道流体连通。
因此，柔性的和简单的系统设置为可以生产变化尺寸的微气泡。通过使用用于控制气泡尺寸的控制通道，可以使用不具有直接地复杂流动控制功能的诸如简单压缩机之类的简单中央流体源。
进气口、第一喷嘴和/或第一控制入口的横截面可以具有小于3毫米、例如小于1毫米、例如小于500微米、例如在100纳米与500微米之间的最大宽度。
在一些实施方式中，至少一个微流体装置还包括：
-第二通道，第二通道包括用于生成流体的气泡以降低在船的船体上的阻力的第二喷嘴，所述第二通道通过所述中央腔与所述入口和所述第一控制入口流体连通，并且其中，所述第一控制入口还构造为控制通过所述第二喷嘴的流动。
因此，流动可以在第一喷嘴和第二喷嘴之间周期性地变换。这可以使用通过改变流动在第一喷嘴和第二喷嘴之间改变的频率以控制生成的微气泡的尺寸，例如在一些情况下，通过增加频率生成较小的微气泡并且通过降低频率生成较大的微气泡。
第二喷嘴的横截面可以具有小于3毫米、例如小于1毫米、例如小于500微米、例如在100纳米和500微米之间的最大宽度。
在一些实施方式中，至少一个微流体装置构造为通过将第一控制流经由所述第一控制入口供入所述中央腔以提高从所述入口至所述第一喷嘴的总流动阻力。
因此，通过第一通道的流动可以暂时地降低。这可以使用以控制生成的微气泡的尺寸。
第一控制流动可以是瞬时的，例如第一控制流动可以具有不超过10秒、5秒、2秒、1秒、200毫秒、100毫秒、50毫秒、25毫秒或者10毫秒的时间长度。第一控制流动可以具有基本上低于通过入口的平均流速的平均流速。第一控制流动可以具有相应地低于通过入口的平均流速的50％、25％、15％或者10％的平均流速。当微流体装置包括单通道和多个通道时，第一控制流动可以增加从所述入口至所述第一喷嘴的总流动阻力。第一控制流动可以通过增加中央腔中的涡流来增加流动阻力。流动阻力可以增加至少50％、100％、500％、5000％或者无穷。第一控制流动可以以某频率周期性地重复，由此通过第一喷嘴的流动可以周期性地大幅降低例如周期性地停止。第一控制流动重复的频率可以决定生成的微气泡的尺寸，例如在一些情况下，通过增加频率生成较小的微气泡，通过降低频率生成较大的微气泡。
在一些实施方式中，至少一个微流体装置构造为通过将流经所述第一控制入口的第一控制流动供入所述中央腔以将流经所述第一通道的流动改变至所述第二通道，由此原本要流经所述第一通道的流动的至少50％、60％、80％、95％、99％或者100％被重新引导以流经所述第二通道。
第一控制流动可以是瞬时的，例如第一控制流动可以具有不超过10秒、5秒、2秒、1秒、200毫秒、100毫秒、50毫秒、25毫秒、或者10毫秒的时间长度。第一控制流动可以具有基本上低于通过入口的平均流速的平均流速。第一控制流动可以具有相应地低于通过入口的平均流速的50％、25％、15％或者10％的平均流速。第一控制流动可以以某频率周期性地重复生成第一控制流动信号。
在一些实施方式中，所述至少一个微流体装置还包括：
-第二通道，第二通道包括用于控制通过所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的流动的第二控制入口，所述第二控制入口通过所述中央腔与所述入口、所述第一通道、所述第二通道以及所述第一控制入口流体连通。
第二控制入口的横截面可以具有小于3毫米、例如小于1毫米、例如小于500微米、例如在100纳米与500微米之间的最大宽度。
在一些实施方式中，至少一个微流体装置构造为通过将经由所述第二控制入口的第二控制流动供入所述中央腔以将流经所述第二通道的流动改变至所述第二通道，由此原本要流经所述第二通道的流动的至少50％、60％、80％、95％、99％或者100％被重新引导以流经所述第二通道。
第二控制流动可以瞬时的，例如第二控制流动可以具有不超过10秒、5秒、2秒、1秒、200毫秒、100毫秒、50毫秒、25毫秒、或者10毫秒的时间长度。第二控制流动可以具有基本上低于通过入口的平均流速的平均流速。第一控制流动可以具有相应地低于通过入口的平均流速的50％、25％、15％或者10％的平均流速。第二控制流动可以以某频率周期性地重复生成第二控制流动信号。第一控制流动和第二控制流动可以以同步的方式进行重复。第一控制流动信号可以具有与第二控制流动信号相同的频率。第一控制流动信号可以相对于第二控制流信号移相180度。这可以用于通过改变第一控制流动信号和第二控制流动信号的频率来控制生成的微气泡的尺寸。流动可以在第一喷嘴和第二喷嘴之间或快或慢地变化，从而生成较大或者较小的微气泡，例如，在一些情况下，通过增加频率生成较小的微气泡，并且通过降低频率生成较大的微气泡。
在一些实施方式中，所述至少一个微流体装置还包括反馈通道，反馈通道与所述第一控制通道和所述第二控制通道连接，由此，所述第一控制出口和所述第二控制出口直接流体连通。
因此，可以在不需要控制流动生成系统的情况下生成控制流动。
在一些实施方式中，第一控制通道和/或第二控制通道与控制系统流体连通，控制系统构造成生成经过第一控制通道和/或第二控制通道的控制流动。
控制系统可以由处理单元所控制，处理单元可以生成适当的控制流动信号。控制系统可以平行地与多个微流体装置耦合。控制系统可以人工地控制或者可以包括计算程序，计算程序可以自动地生成控制流动信号，控制流动信号适合于船的环境条件，例如，水流速(船速)、水温、或者影响微气泡在降低阻力方面的作用的其它水参数。控制系统可以包括流体生成装置，例如压缩机、泵或者用于生成控制流动的其它适当的装置。
在一些实施方式中，装置包括如上文指定的多个微流体装置。装置可以包括至少10、20、40、70、100、200或者2000个微流体装置。
本发明涉及不同方面，其包括上文和下文中描述的装置以及相应的方法、装置、用法和/或产品装置，其中，每个都生成与提到的第一方面相关地描述的一个或者更多个好处和优势，每个都具有与提到的第一方面相关地描述的和/或随附的权利要求中公开的实施方式对应的一个或者更多个实施方式。
特别地，文中公开了用于包括文中公开的气泡生成设备船的船体。船体的实施方式可以包括具有微流体器件的装置，其中，装置具有与流体源例如诸如压缩气体之类的气体连接的多个开口，所述多个开口设置为使得流体可以通过所述开口喷出，从而在围绕着船体表面的水的边界层中形成气泡，其中，流体振荡器或者流体放大器连接于在所述流体源与所述多个开口中的每个开口之间，所述流体振荡器或者流体放大器中的每个是可控的从而使得从开口喷出气泡的气泡尺寸可以变化。
文中进一步公开了包括微流体器件的装置的用途，所述装置适合于与船的船体外部附接以生成用于降低船体阻力的微气泡。
附图说明
本发明的上述和/或附加的目标、特征和优势将由本发明的实施方式的下列的说明性的且非限制性的具体描述进一步阐明，参照附图，其中：
图1示意性地示出了包括气泡生成设备的船。
图2示意性地示出了气泡生成设备。
图3示意性地说明了交替地供给两个喷嘴的微流体振荡器。
图4示意性地说明了交替地供给两组喷嘴的微流体振荡器。
图5示意性地说明了包括多组微流体振荡器的设备的实施方式。
图6示意性地说明了气泡生成设备的另一实施方式。
图7示意性地说明了气泡生成设备的横截面图。
图8示出了设备的另一示例，设备包括诸如微流体振荡器的多台微流体装置。
图9a示出了根据本发明的一些实施方式的微流体装置。
图9b示出了根据本发明的一些实施方式的微流体装置。
具体实施方式
在下文描述中，参考附图，通过举例说明示出了可以如何实施本发明。
图1示意性地示出了包括气泡生成设备的船。总体标示为100的船包括船体101，船体101具有与它附接的如文中描述的一个或者更多个气泡生成设备102。每个气泡生成设备102经由供给管道106与压缩机105连接，压缩机105用于经由供给管道106向气泡生成设备102供给压缩空气。例如，压缩机可以吸入环境空气并且将环境空气压缩，并且可选地少量增加助流剂。尽管图1中的压缩机示出定位于船的后部，但是可以理解，压缩机可以定位于船上的任何适当位置并且/或者空气进气通路指向任何适当的方向。气泡生成设备包括排放喷嘴103，压缩空气从排放喷嘴103释放从而在围绕船体的水的边界层中形成微气泡107。
在图1的示例中，多个气泡生成设备102位于沿着船的船体的长度分布的对应的位置。每个设备从最接近龙骨的位置向上沿着船体延伸。每个设备102生成相对应的微气泡流107，在船经由水的运动过程中，相对应的微气泡流107从排放喷嘴103向后和向上延伸。可以理解，在不同的实施方式中，设备的数量和位置可以变化。例如，在一些实施方式中，例如位于船的船体的前部的单个设备可以满足需求，但在其它实施方式中，两个、三个或者更多个设备可以沿着船的船体的长度进行分布。对于每个船，设备的最佳数量和位置可以通过模型和/或流动模拟和/或试错法所决定。
当将小气泡吹过喷嘴的孔时，这不足以使孔尽可能地小以生成微米级的气泡。这原因包括存在润湿力，润湿力将生长的气泡附接至形成孔边缘的固体表面。除非，扰乱这锚定力，否则气泡将会一直生长直到与气泡的体积成比例的气泡浮力超过气泡上的基本上与气泡的接触周界成比例的锚定约束为止，然后由此破碎。在这低压偏移的情况中，力平衡通常使在尺寸上数量级大于孔直径的气泡破裂。另外，固体表面的润湿性质是重要的。如果气泡接触表面的区域大于孔周界，例如如果固体表面是憎水的，那么生长的气泡的气相将在更宽区域上的固体表面上形成第二锚定力，从而增加了浮力并且由此增加了需要克服它的气泡体积。如果所述表面是亲水的，那么不存在此吸引力。
与从小孔生成气泡相关联的第二难点是气泡尺寸的多分散性和在导致气泡云快速合并的气泡之间的间隔的不规则性。即使形成小气泡，合并也可以快速地减少益处。
与从小孔生成气泡相关联的第三难点涉及在孔的喷嘴边缘中形成通道或者经由有孔的陶瓷材料形成通道。形成的最大气泡提供具有最小阻力的路径，从而在喷嘴边缘或者有孔的陶瓷材料中的平行渗透过程中抵靠着所有其它气泡优先地生长。
在本文公开的气泡生成设备102的实施方式中，气泡尺寸由微流体装置所控制，微流体装置避免了上述难点中的至少几个。
图2示意性地示出气泡生成设备的截面图。图2a示出了该设备在水平面上的截面图。在船向前运动过程中，水相对于船的船体的流动方向由箭头220所说明。
如图2所示，设备202是分层结构，该分层结构具有基础层213，基础层213的支持面通过结合层218与船的船体201的外表面结合。另外，分层结构202可以包括两个或者更多个附加层211和212，附加层211和212通过适当的结合技术夹在一起。例如，设备的层可以是由不锈钢或者诸如塑料之类的一种或者更多种适当材料制成的带或者板/片，带或者板/片可以与船的船体固定。层211、212、213可以被焊接在一起和/或通过诸如环氧树脂基材料之类的适当附着剂粘合到一起。基础层可以通过焊接、诸如环氧树脂基胶黏剂之类的适当胶黏剂、磁体等等与船的船体结合。设备202包括中间层212，一个或者更多个诸如微流体振荡器之类的微流体装置215通过适当的蚀刻方法嵌入到中间层212中。例如，流体装置215可以被表面铣磨或者化学/静电刻蚀进入不锈钢带中。图2b示出了通过示出成一行设置的两个微流体装置的中间层212的一部分的竖直面的截面图。可以理解，中间层可以包括超过两个流体装置，所述流体装置成一行或者多行设置，例如几百或者甚至几千的此装置以并排的构造设置为形成一行或者多行。通常，一行或者多行的微流体装置215可以从水平面下面的位置向下朝着船的龙骨设置。每个微流体装置215经由管道214与供给通道206连接，供给通道206将压缩空气供给进入微流体装置215中。每个微流体装置具有两个输出口或者通道216和217，两个输出口或者通道216和217将微流体装置215输出的空气分别地供给至排放喷嘴203和204中。中间层212被覆盖层211所覆盖。覆盖层可以具有凸起外表面，对应的层的后缘和前缘可以倾斜，从而提供具有完全翼形形式的设备。
在图2的示例中，设备包括单一的中间层212，中间层212包括单行的微流体装置。在可替代的实施方式中，设备可以包括多个中间层，例如夹在基础层213与覆盖层211之间的所有中间层。例如，微流体装置的不同部分可以刻蚀或者铣磨进入相应的多个层的表面中，相应的多个层可以随后相互对齐并且相互结合从而形成微流体装置。可替代的或者附加的，每个中间层可以包括相应行的微流体装置，相应行的微流体装置通过相应的供给管道被供给有压缩空气，并且相应行的微流体装置包括相应行的排放喷嘴。因此，排放喷嘴的数量可以增加，并且/或者用于生成不同气泡尺寸的多行喷嘴可以通过插入带有微流体装置的一个或者更多个附加层而构造。此外，基础层和/或覆盖层还可以包括微流体装置和/或微流体装置的部分。
在图2的示例中，喷嘴被示出为位于设备的后缘，从而面对船的船尾。但是，可以理解，可替代地或者附加地，微流体装置可以设置为它们的喷嘴位于前缘处和/或在带的中心区中。
图3示意性地说明了分别交替地供给两个喷嘴303和304的微流体振荡器315。由于振荡器的基本上平坦的设置，振荡器可以设置在分层结构的一个或者更多个层中，例如设置在图2的中间层212中。微流体振荡器315包括入口314，入口314可与用于加压空气或者其它适当气泡形成流体的供给通道连接；喷射形成通道319供给至分开的通道，分开的通道包括一对支路通道316和317，支路通道316和317中的每个以对应的出口303和304中对应的一个为末端。出口可以形成相对应的输出喷嘴或者与输出喷嘴连接，在输出喷嘴处，气泡形成流体离开至周围的水中，从而形成气泡。振荡器还包括控制通道321a和321b，控制通道321b与振荡器的相互作用区322的相对侧向(相对于流动方向)出口连接，并且处于喷气形成通道319的下游以及这对支路通道的上游。在图3的示例中，控制通道321a和321b经由反馈回路321c相互流体连通。
在使用中，压缩空气从诸如图2的供给通道206之类的供给通道引入至入口314中。在一些实施方式中，喷气形成通道319的截面尺寸可以沿着下游方向而降低，由此造成喷射流的速度增加。当气流通过相互作用区322时，该气流导致在控制通道321a和321b中的控制流体中的振荡压力波的形成。控制流体可以是液体或者诸如空气之类的气体。振荡压力波迫使喷射流进入支路通道316和317中的一个中。由于控制流体中的压力波经由反馈回路321c来回振荡，喷射在两支路通道之间交替地转换，由此在支路通道中的每一个中造成空气流动的振荡脉冲。当脉冲到达由出口303和304形成的或者与出气口303和304连接的输出喷嘴中的一个时，气泡生成。气泡生长由振荡脉冲的时间段所限制，由此被振荡器315的振荡频率所限制。特别地，当气泡小于经由相同尺寸的输出喷嘴的恒定空气流动所生成的气泡时，气泡生长可能停止。另外，因为在每个支路通道中的脉冲以相对的相位差振荡，所以气泡从输出喷嘴303和304中交替地生成，由此提高了相邻喷嘴形成的气泡的分离效果。因为控制通道被连接以形成反馈回路，所以不需要额外的控制供给通道。振荡脉冲的频率可以选择甚至以诸如通过改变反馈回路的长度之类的多种方式进行改变。
可以理解，在可替代实施方式中，控制通道321a和321b除了通过反馈回路相互连接或者替代地通过反馈回路相互连接之外，可以与各自的控制供给通道连接。在本实施方式中，控制供给通道可以与一个或者更多个脉冲压力源连接，例如与下文的图7相关描述的声源连接。因此，微流体装置如放大器一样工作，在放大器中，脉冲压力波应用于控制通道321a和321b，控制通道321a和321b又造成支路通道中空气流动的振荡脉冲。通过控制脉冲压力源的频率，可以控制生成气泡的尺寸。可以进一步理解，可以利用用于生成压缩空气的振荡脉冲的微流体装置的可替代实施方式，例如，美国专利号5,524,660中公开的雾化液体的内容。
通过提供形成在分层结构的板、片或者其它层中的微流体装置，气泡生成设备可以实施为相对平的结构，由此在不过度增加阻力的情况下，允许将设备固定至船的船体上。例如，图2的分层结构的总厚度可以小于20mm、例如小于10mm、例如在5至7mm之间或者甚至更小。
在一些实施方式中，围绕排放喷嘴303和304的表面和/或至少接近排放喷嘴的支路通道的内表面的至少一部分可以涂有适当涂层，例如疏水涂层、亲水涂层、聚四氟乙烯涂层等等，以促进气泡释放。
图4示意性地说明了向两组喷嘴403和404分别交替地供给的微流体振荡器415。因此，每个振荡器或者其它微流体装置可以分别向对应的喷嘴口供给，由此增加排放喷嘴的数量。
通常，在一些实施方式中，微流体装置的频率通过以下方式可控：例如通过控制应用于如上文描述的微流体放大器的控制通道的压力脉冲的频率可控；或者通过将一个或者更多个微流体振荡器与其它微流体装置例如微流体放大器联合可控，其中所述微流体放大器构造为改变进入微流体振荡器的压缩空气流的压力；和/或通过改变参数可控，所述参数例如为进入微流体振荡器的压缩空气的压力和/或温度和/或反馈回路中的控制流体的压力和/或温度。例如，电热丝可以嵌入分层结构用于控制控制流体的温度。
可替代的，设备可以包括两组或者更多组诸如微流体振荡器之类的微流体装置，每组适合于在不同频率下工作，由此生成不同尺寸的气泡。图5中说明的是，设备包括分别标示为515a、515b和515c的三组微流体振荡器，每组微流体装置通过对应的供给通道506a、506b和506c进行供给。每组的微流体振荡器具有共同振荡频率，但是不同组的微流体振荡器具有例如由它对应的反馈回路的长度所限定的不同的频率。因此，通过将空气选择性地供入微流体装置中的一组，可以生成不同尺寸的气泡。
图5的设备与图2中示出的设备相类似的是，分层结构包括如结合图2描述的基础层213和附加的两个层212和211。基础层213安装至船的船体201的外表面上。中间层212包括多个微流体装置515a和515c以及相应的供给通道506a和506c，并且中间层212夹于基础层312与覆盖层211之间。在图5的实施方式中，覆盖层211也进行构造，并且包括另一组微流体装置515b和供给通道506b。例如，微流体装置515a和515c可以设置在中间层的面对覆盖层的表面处，微流体装置515b可以设置在覆盖层的面对中间层的表面处。
每组微流体装置的微流体装置以并排构型进行设置，使得它们的输出喷嘴以相应行进行设置。在图5b中，示出的设备的一部分包括成行的三个微流体装置。可以理解，设备可以包括以相应行进行设置的多个装置。在图5的实施方式中，微流体装置515a的输出喷嘴503a和504a设置在设备的后缘处；微流体装置515b的输出喷嘴503b和504b沿着设备的中线设置；微流体装置515c的输出喷嘴503c和504c设置在设备的前缘。
图6示意性地示出了气泡生成设备的另一个实施方式。图6a示意性地示出了气泡生成设备的截面图。图6的设备类似于图2中示出的实施方式，其包括基础层213、中间层212和覆盖层211。图6b至d示出了对应层的部分俯视图。所示出的部分包括单一微流体振荡器；但是，应当理解，设备可以包括并排构型设置的多个这种振荡器。特别地，图6b示出了基础层的部分俯视图，即面对中间层的表面；图6c示出了中间层212的部分俯视图；然而图6d示出了覆盖层211的部分仰视图，即示出了面对中间层的表面。在图6的示例中，设备包括与供给通道连接的多个微流体装置615。所有的三层结构被构成并且包括供给通道和/或微流体装置615的相应部分。基础层213包括微流体装置的主微流体结构，在这种情况下，主微流体结构是结合图3描述的微流体振荡器。嵌在基础层中的结构入口314，喷射形成通道319、相互作用区322、控制通道321a和321b、反馈回路321c以及以对应出口603和604为末端的支路通道316和317。
中间层212包括输入通道617和输出通道633和644。中间层的输入通道和输出通道形成为通孔，所述通孔穿过整个中间层延伸并且相应地地与入口314和支路通道的末端603和604对准。由此，输入通道617在入口314和供给通道606之间提供流体连通。因为覆盖层211没有在中间层的整个宽度上延伸，从而使中间层的表面的边缘部分暴露，所以输出通道633和644由此延伸至设备的外表面从而形成相应的输出喷嘴。覆盖层211包括例如以在覆盖层下表面中的以长形凹槽为形式的供给通道606。
图7示意性地示出了气泡生成设备的截面图。图7a示出了在水平面的设备的截面图。在船向前运动的过程中，水相对于船的船体的流动方向由箭头720所说明。
设备702与图2的设备相类似的地方在于，设备702形成为分层结构。分层结构具有基础层713，基础层713的支撑面通过结合层718与如图7中说明的船的船体701的外表面结合。另外，分层结构702可以包括两个或者更多个附加层711和712，附加层711和712通过适当的结合技术夹在一起，这些都类似与图2有关的描述。
又如与图2有关的描述，设备702包括中间层712，一个或者更多个微流体装置715例如微流体振荡器例如通过适当的刻蚀过程嵌在中间层712内。图7b示出了通过中间层712竖直平面内的部分截面图，并且示出了成排设置的两个微流体装置。
每个微流体装置715经由管道714与供给通道706连接，供给管道706将压缩空气供给至微流体装置715中。每个微流体装置具有两个出口或者管道716和717，两个出口或者管道716和717将由微流体装置715输出的空气分别地供给至两个喷嘴703和704。如与图2有关的描述，中间层712由覆盖层711覆盖。微流体装置715是分别交替地供给两个喷嘴703和704的微流体振荡器。如与图3相关的描述，微流体振荡器715与图3中示出的微流体振荡器的相似点在于，入口714与供给压缩空气706的供给通道连接；喷射形成通道719供给至分开的路径，分开的路径包括一对支路通道703和704，支路通道703和704中的每一个都以出口703和704中的对应的一个为末端。振荡器还包括控制通道721a和721b，控制通道721a和721b与振荡器的相互作用区722的相对的侧向侧口(相对于流动方向)连接并且位于喷射形成通道719的下游以及这对支路通道的上游。
图7的设备与图2的设备和图3的微流体振荡器的区别在于，控制通道721a和721b与对应的控制供给通道723a和723b连接，从而在每一个控制通道和控制供给通道的对应的一个之间提供流体连通以用于将压缩空气或者另一种适当流体的控制流动分别地供给进入控制通道721a和721b中。每个控制供给通道与对应的脉冲压力源(未明确地示出)例如声源连接。控制脉冲压力源以提供压缩空气的脉冲压力；特别地，压力源可以控制为以同样的频率但是相互具有半个周期的移相来改变控制通道721a和721b中的压力，从而迫使振荡器715以脉冲压力源施加的频率振荡。
图8示出了设备的另一个示例，设备包括多组微流体装置例如微流体振荡器，每组装置适合于在不同频率下操作，由此生成不同尺寸的气泡。例如与图5有关的描述，设备802包括分别标示为815a、815b和815c的三组微流体振荡器，每组装置由对应的供给通道806a、806b和806c分别地供给。每组的微流体振荡器具有共同振荡频率，但是不同组的微流体振荡器具有例如由它们对应的反馈回路的长度限制的不同的频率。因此，通过将空气或者另一流体选择性地供给至微流体装置中的一组，可以生成不同尺寸的气泡。为此，供给通道806a至806c以流体连通的方式与流动选择器875连接，流动选择器875经由液体管道876依次与诸如用于压缩空气压缩机的流体源805连接。由此，气泡形成流体从流体源供给至流体选择器875中，流体选择器875可控以将流体选择性地引导进入供给通道806a至806c中的一个，由此，进入微流体装置815a至815c中的一组中。
图9a示出了根据本发明的一些实施方式的微流体装置900。微流体装置包括入口901、第一通道902、第二通道904、第一控制通道907以及第二控制通道909。第一通道902和第二通道904经由中央腔906与进气口901、第一控制通道907以及第二控制通道909流体连通。第一通道902包括用于生成微气泡的第一喷嘴903。第二通道909包括用于生成微气泡的第二喷嘴905。第一控制通道907包括第一控制入口908，并且第二控制通道909包括第二控制入口910。第一控制通道907可以通过反馈通道与第二控制通道909连接，从而第一控制出口908和第二控制出口910经由所述反馈通道直接流体连通。附加地或者可替代地，第一控制通道907和/或第二控制通道909可以与构造为生成控制流动的控制系统流体连通。
图9b示出了根据本发明的一些实施方式的微流体装置900，其中，微流体装置仅包括单一通道和喷嘴。
虽然已经描述并且具体地示出了一些实施方式，但是本发明并不限制于此，而还可以在随附的权利要求中限定的主题的范围内以其它方式实施。特别地，可以理解，可以使用其它实施方式，并且可以在不偏离本发明的范围的情况下进行结构性和功能性的改型。
在列举一些器件的装置权利要求中，这些器件中的一些可以由硬件的一个且相同的项目实施。在彼此不同的从属权利要求中叙述的或者在不同的实施方式中描述的某种措施的仅有的事实不能说明这些措施的联合不能作为有利条件使用。
应当强调的是，术语“包括/包含”当在说明书中使用时，用作详细说明所述的特征、整数、步骤或者组件的存在，而不妨碍一个或者更多个特征、整数、步骤、零件或者其组合的存在或者增加。
Claims (26)
1.一种用于生成流体的气泡以降低在船的船体上的阻力的设备，其中，气泡生成装置可以与所述船体的外表面附接，并且其中，所述设备包括用于生成所述气泡的至少一个微流体装置，所述设备包括分层结构，所述分层结构包括两个或者更多个层，其中，所述层中的至少一个层包括微型结构，所述微型结构形成所述至少一个微流体装置中的至少一部分，并且其中，所述层中的至少一个层包括供给通道，所述供给通道与所述至少一个微流体装置连接以用于将压缩空气供给至所述微流体装置中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述微流体装置适合于控制生成的气泡的气泡尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置包括：
入口，所述入口用于供应流体的流动；
第一通道，所述第一通道包括用于生成流体的气泡以降低在船的船体上的阻力的第一喷嘴，所述第一通道经由中央腔与所述入口流体连通；
第一控制通道，所述第一控制通道包括第一控制入口和第一控制出口，所述第一控制入口构造为控制通过所述第一喷嘴的流动，所述第一控制入口经由所述中央腔与所述入口和所述第一通道流体连通。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置还包括：
-第二通道，所述第二通道包括用于生成流体的气泡以降低在船的船体上的阻力的第二喷嘴，所述第二通道经由所述中央腔与所述入口和所述第一控制入口流体连通，并且其中，所述第一控制入口还构造为控制通过所述第二喷嘴的流动。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置构造为通过将第一控制流动经由所述第一控制入口供入所述中央腔以提高从所述入口至所述第一喷嘴的总流动阻力。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置构造为通过将流经所述第一控制入口的第一控制流动供入所述中央腔以将流经所述第一通道的流动改变至所述第二通道，由此原本要流经所述第一通道的流动的至少50％被重新导向以流经所述第二通道。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置还包括：
第二控制通道，所述第二控制通道包括第二控制入口和第二控制出口，所述第二控制入口用于控制通过所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的流动，所述第二控制入口通过所述中央腔与所述入口、所述第一喷嘴、所述第二喷嘴以及所述第一控制入口流体连通。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置构造为通过将流经所述第二控制入口的第二控制流动供入所述中央腔以将流经所述第二通道的流动改变至所述第一通道，由此原本要流经所述第二通道的流动的至少50％被重新定向以流经所述第一通道。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置还包括反馈通道，所述反馈通道与所述第一控制通道和所述第二控制通道连接，由此，所述第一控制出口和所述第二控制出口直接流体连通。
10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一控制通道和/或所述第二控制通道与控制系统流体连通，所述控制系统构造为生成经过所述第一控制通道和/或所述第二控制通道的控制流动。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置为多个所述微流体装置。
12.根据权利要求1或2所述的设备，所述设备适合于通过供给流动随着时间变化的气泡形成流体的流动以生成具有可控的气泡尺寸的气泡。
13.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述微流体装置包括微流体振荡器和/或微流体振荡触发器和/或微流体放大器和/或微流体转换器。
14.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备是可改型翻新的装置，所述可改型翻新的装置可与现有的船附接。
15.根据权利要求1或2所述的设备，包括多个排放喷嘴，所述排放喷嘴用于以气泡的形式输出流体。
16.根据权利要求1或2所述的设备，包括多组微流体装置，其中，每组所述微流体装置适合于生成具有对应的气泡尺寸的气泡，并且其中，所述设备包括流动选择器，所述流动选择器用于将所述气泡形成流体的供给流动选择性地引导至微流体装置中的一组或者具有不同频率的几组中。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，每组所述微流体装置适合于以各自的预定频率生成气泡。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流体是气体。
19.根据权利要求1所述的设备，其中，所述层中的至少一个层包括微型结构面，所述微型结构面形成所述至少一个微流体装置中的至少一部分。
20.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备包括结合面，所述结合面用于将所述设备与船的所述船体以及与相对于所述结合面的凸起外表面结合。
21.根据权利要求1或2所述的设备，其包括用于输出所述流体的多个排放喷嘴；其中，围绕着每个排放喷嘴的表面区域设置有亲水性表面。
22.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述至少一个微流体装置中的每一个形成为腔和/或通道的平坦系统。
23.根据权利要求18所述的设备，其中，所述气体是空气。
24.一种用于包括带微流体器件的装置的船的船体，其中，所述装置具有与流体源连接的多个开口，所述多个开口设置为使得所述流体可以经由所述开口喷出从而当所述流体沿着所述船体流动时，在朝着所述船体的水的边界层中形成气泡，其中，流体振荡器或者独立的流体放大器连接于在压力作用下的所述流体源与所述多个开口中的每个开口之间，所述流体振荡器或者流体放大器中的每一个是可控的，使得从所述开口喷出的所述气泡的气泡尺寸可以变化，所述设备包括分层结构，所述分层结构包括两个或者更多个层，其中，所述层中的至少一个层包括微型结构，所述微型结构形成一个或者更多个所述微流体器件中的至少一部分，并且其中，所述层中的至少一个层包括供给通道，所述供给通道与一个或者更多个所述微流体器件连接以用于将压缩空气供给至所述微流体器件中。
25.一种包括根据权利要求1至23中任一项所述的微流体装置的设备的用途，所述微流体装置适用于与船的外部附接，用于生成微气泡以降低在船洞上的阻力。
26.一种降低船的船体上的阻力的方法，所述方法包括：
-将如权利要求1至23中任一项所限定的设备与所述船体的外表面附接；
-通过将气泡生成流体经由所述设备的排放喷嘴排入水中来在所述船体与围绕所述船体的水之间的边界处生成气泡生成流体的气泡；
-通过供给流动随时间变化的气泡形成流体的流动来控制生成的气泡的尺寸。
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