CN103879510A - 一种新型节能船型 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型节能船型，包括船体、螺旋桨和尾舵，尾舵和螺旋桨安装在船体上，其船体的外表面上设有用于降低船体摩擦阻力的凹坑、凹槽或者凹坑和凹槽混合分布。凹坑的深度可以在30mm～60mm之间取值，凹坑和/或凹槽在船体表面的面积率在10%～60%之间取值。这种船的船体可以有效地降低船舶在水中的摩擦阻力和粘滞阻力，并且不需要安装额外的设备，经济、实用、在不增加成本的前提下可以实现提高船舶航行速度，或者在同样航速下降低能耗，实现节能减排的目标。

Description

一种新型节能船型

技术领域

本发明涉及水上运输工具，更具体地说，涉及一种新型节能船型。

背景技术

船舶阻力按照物理本质分为摩擦阻力、粘滞阻力和兴波阻力，其中，高速船的摩擦阻力占船总阻力的40%～50%，而对于中低速船舶来说，摩擦阻力可达总阻力的70%～80%，而摩擦阻力和粘滞阻力所占的比例就更加高。因此，寻找能有效减小摩擦阻力和粘滞阻力的方法是造船界一直努力的目标。涉及和制造具有减阻功能的新型船舶无疑是实现节能减排的重要途径之一。

为了达到这一目标，人们在各个方面做了许多努力，目前已经研制出多种具有减小摩擦阻力性能的优良船舶。例如气垫船、水翼船和微气泡船。气垫船是利用高压空气在船底和水面形成气垫，将船体部分或全部抬出水面，利用空气密度小于水，船舶在空气中所受到的阻力小于在水中所受到的阻力来提高船舶航速。但是气垫船具有功耗大、不经济的缺点，并且不能做为大型运输工具使用，无法应用在远洋船舶上。水翼船是利用类似机翼的流体力学原理，在船身下安装水翼，利用水翼上下表面的压强差产生升力，将船舶部分或全部抬出水面，以提高速度。但是水翼船同样具有不宜做为大型运输工具使用的缺点。而微气泡船是利用设在船身上的微孔板喷射气体形成微气泡，改变船体表面边界层结构，推迟边界分离点，从而达到提高阻力的效果。但是这种方法需要安装专门的喷气设备，气泡的直径，喷射速度都需要经过专门设计，使得船舶的制造增加了额外的成本，不够经济。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型节能船型，这种船的船体可以有效地降低船舶在水中的摩擦阻力和粘滞阻力，并且不需要安装额外的设备，经济、实用、在不增加成本的前提下可以实现提高船舶航行速度，或者在同样航速下降低能耗，实现节能减排的目标。

相应地，本发明通过在船体上增加凹坑和/或凹槽的技术手段来解决上述技术问题，这种新型节能船型，包括船体、螺旋桨和尾舵，尾舵和螺旋桨安装在船体上，其船体的外表面上设有用于降低船体摩擦阻力的凹坑、凹槽或者凹坑和凹槽混合分布。凹坑的深度可以在30mm～60mm之间取值，凹坑和/或凹槽在船体表面的面积率在10%～60%之间取值。

这些凹坑可以是圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑、鱼鳞形状凹坑、不规则形状凹坑中的一种或多种组合，其排列方式也可以有多种。比如凹坑可以是多个形状相同的圆形凹坑，在船体的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列；可以是多个形状相同的椭圆形凹坑，在船体的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列；也可以是多个形状相同的多边形凹坑（多边形可以包括三角形、矩形、五边形等等），在船体的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列。同样的排列方式也适用于鱼鳞形和不规则形状凹坑。

除了单一形状的凹坑，也可以是多种形式的凹坑组合，比如说圆形和多边形凹坑混合分布，在船体的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列，同样的混合分布和排列方式也适用于圆形和椭圆形、圆形和多边形、圆形和鱼鳞形、圆形和不规则形状的凹坑组合，或者椭圆形、多边形、鱼鳞形和不规则形状的两两组合，甚至于圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑、鱼鳞形状凹坑、不规则形状凹坑中的三种、四种甚至五种的混合组合，这些混合组合的排列形式同样可以是船体的外表面纵横对齐整齐、纵横交错或者不规则排列。

凹槽可以是直线型槽或曲线型槽，彼此平行排列，或者是直线型和曲线型槽混合，平行排列，也可以采用凹槽和凹坑间隔排列的形式进行排列。

船体表面在水体中运动时的边界层，根据局部流场的雷诺数不同，边界层内的流体可以分为层流或紊流。光滑的船体表面的边界层内通常是层流，而不光滑船体的边界层内的水流是紊流。紊流的边界层受逆压梯度的影响较小，所以不光滑的船体表面的边界层的分离点相对靠后，其粘性阻力反而较光滑的船体更低，压差阻力更是可以大幅度减小。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：这种低摩擦阻力船可以有效地推后边界分离点，减小阻力，通常情况下，船舶航行时，雷诺数Re能够达到10⁵以上，远远大于发生边界层分离的Re=60的要求，所以当船舶正常航行时，会发生边界层的分离现象，而船舶上的减阻结构能够起到推迟边界层分离点的作用，减小船体上的粘性阻力和摩擦阻力，降低了船舶航行时的能耗。

附图说明

图1是本发明具体实施例一的结构示意图；

图2是船体所受到的阻力随航速变化柱状图；

图3是具体实施例二的结构示意图；

图4是具体实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施例和附图本本发明做进一步的说明。

如图1所示的新型节能船型，包括船体1、螺旋桨2和尾舵3，尾舵3和螺旋桨2安装在船体1上，船体1的外表面上设有用于降低船体摩擦阻力的凹坑4。凹坑的深度为50mm，凹坑在船体表面的面积率是25%。凹坑4都是圆形凹坑，纵横对齐排列在船体1的外表面上。

由于传统习惯，人们认为越光滑的表面的摩擦阻力越小，本发明的发明人克服了传统的技术偏见----粗糙的表面会增大摩擦阻力，将船体1的表面上设置了减阻结构，产生紊流的边界层，推迟边界分离点，提前了转捩点，无论在减少船体受到的阻力方面，还是减少空化的危害方面，都取得了良好的效果，并且在实验中得到了证实。

在数值实验中，取船长L_pp=30m，船宽B=6m，吃水d=1m，实验对象：一个是表面光滑外板船体，另一个是有50mm圆形凹坑外板船体，在不同流速（模拟航速）下进行测试，可以得到如下结果：

表1-1表面光滑外板船体阻力随速度变化

速度（m/s）	R(N)
		10	1393.815

15	1544.117
		20	1828.042
22.5	2533.299
		25	3610.122

表1-250mm凹坑外板船体阻力随速度变化

速度（m/s）	R(N)
		10	1292.812
15	1423.941
		20	1739.681
22.5	2467.305
		25	3512.715

由表1-1、1-2和图2可知，随着流速的变大，50mm凹坑外板船体和传统光滑外板船体所受到的阻力都相应增大，但是传统光滑外板船体所受到的阻力始终比50mm凹坑外板船体要大。

因此可以得出结论，在船体表面设置50mm凹坑使得船体所受到的阻力得到了明显下降，优化了船体的性能，取得了预期的效果。

在本具体实施例中，凹坑3的深度根据不同的船型尺度可以在30～60mm范围内进行选择，分别取凹坑深度为30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm进行测试，分别获得了较为理想减阻节能效果。

此外，凹坑3的形状也可以采用圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑和不规则形状凹坑中的一种或多种的组形式，可以采用规则或者不规则排列，经测试均可以得到理想的提高升阻比的技术效果。

凹坑在船体表面的面积率在10%～60%之间，取10%、20%、30%、45%、50%、55%、60%进行测试，效果均十分理想。

除了本具体实施例所示的规则圆形凹孔，还可以采用在其船体2表面设置几条平行设置的凹槽5，如图3所示的具体实施例二，这些凹槽的深度为50mm，平行于水平面设置。

如图4所示的具体实施例三，与具体实施例一的区别仅在于其船体2设置的是凹槽5和凹坑4交错分布的形式。凹槽5和凹坑4都深50mm，总面积率30%。

以上实施例是供理解本发明之用，并非是对本发明的限制，有关领域的普通技术人员，在权利要求所述技术方案的基础上，还可以做出多种变化或造型，比如说凹槽，也可以是波浪形、折线形甚至不规则曲线型，并不局限为直线型，这些变化或变型应当理解为仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型节能船型，包括船体、螺旋桨和尾舵，尾舵和螺旋桨安装在船体上，其特征在于：所述船体的外表面上设有用于降低船体摩擦阻力的凹坑和/或凹槽。

2.根据权利要求1所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹坑为圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑、鱼鳞形状凹坑、不规则形状凹坑中的一种或多种组合。

3.根据权利要求2所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹坑的数量有多个，并在船体的外表面纵横对齐整齐排列。

4.根据权利要求2所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹坑的数量有多个，并在船体的外表面纵横交错排列。

5.根据权利要求2所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹坑的数量有多个，并在船体的外表面不规则排列。

6.根据权利要求1至5任一项所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹坑的深度为30mm～60mm。

7.根据权利要求6所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹坑的面积率为10%～60%。

8.根据权利要求1所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹槽为直线型槽，彼此平行排列。

9.根据权利要求2所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹槽为曲线型槽，彼此平行排列。

10.根据权利要求1所述的新型节能船型，其特征在于：所述凹槽为直线型和/或曲线型槽，并且彼此平行排列，所述凹坑分布在凹槽的间隙之中。

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