CN105197179B - 一种用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构 - Google Patents

Abstract

一种用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构。本发明公开了一种用于船速低于12节，方形系数C_B大于0.8的低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，包括船体，在所述船体的船首位置安装有垂直艏，在所述垂直艏的前端开设有圆形孔，在所述船体的尾部开设有圆角矩形孔，所述圆形孔与所述圆角矩形孔前后贯通，且在所述船体的内部平滑过渡构成流体经过的流道。本发明创新的提出垂直艏的概念，用其代替球鼻艏；并且进一步的将垂直艏技术和前缘引流技术结合起来，能有效减小兴波阻力，并且更大程度的减小粘压阻力，使得全船的总阻力最终减少3％之多。

Description

一种用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构

技术领域

本发明涉及船体减阻结构领域，具体地说，特别涉及到一种用于航速低于12节，方形系数C_B大于0.8的低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构。

背景技术

球鼻艏主要用于减少船行驶过程中由于产生波浪损失能量造成的兴波阻力。其原理是造成有利的波系干扰。合理设置球鼻艏，可以使球鼻艏的兴波与主船体的首横波形成有利干扰，即让球鼻的兴波的波谷与船首波的波峰处于同一位置，从而使合成后的首波显著减小。

前缘引流技术主要减小的是首尾压力差产生的粘压阻力和流体粘性产生的摩擦阻力。其减阻机理是开孔引流降低了船舶艏艉的压力差，减小了形状阻力；另外开孔引流改变了船舶艏艉区的流场分布，推迟了层流向湍流的转变，减小了摩擦阻力。但是现阶段球鼻艏技术和前缘引流技术从理论到实际应用都存在着明显的问题和不足。

前缘引流技术从理论上就存在一个根本性的缺陷。那就是前缘引流技术在船首开孔，将流体从船内部的槽引流至船的尾部，增大了船体与流体接触的湿面积。根据牛顿内摩擦定律，湿面积的增大，将导致船体摩擦阻力不可避免地增大。虽然开孔引流改变了船舶艏艉区的流场分布，推迟了层流向湍流的转变，减小了船尾部的摩擦阻力，但全船总的摩擦阻力还是增大的。另外在应用过程中若开槽的形状不够圆滑，也会因为流体压力变化过快产生漩涡，在槽内部产生附加的形状阻力。

球鼻艏技术的应用确实起到了减阻节能的效果，但是球鼻艏技术在首倾较大的船上能得到明显的体现，在首倾角较小的船上的效果有待提升。另外由于目前有关球鼻艏的资料都是针对某一特定船型而言的，有些认为十分成功的球鼻艏，在其他船上应用时并不一定能获得满意的结果，所以在进一步的研究过程中需要区分不同船型对球鼻艏减阻效果进行讨论。另外球鼻艏技术主要减小的是兴波阻力，若能够在球鼻艏技术的基础上做相应改进，使其也能减小部分粘压阻力，那将是一个不小的突破。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种用于航速低于12节，方形系数C_B大于0.8的低速肥大船型的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，包括船体，在所述船体的船首位置安装有垂直艏，在所述垂直艏的前端开设有圆形孔，在所述船体的尾部开设有圆角矩形孔，所述圆形孔与所述圆角矩形孔前后贯通，且在所述船体的内部平滑过渡构成流体经过的流道。

进一步的，所述垂直艏的主体形状为半圆柱，其倾斜角度较小，其垂向高度与横向宽度比值大约为1.3。

进一步的，圆形孔为前缘引流进流口，圆角矩形孔为前缘引流出流口，进流孔面积略微大于出流孔，并且中间光滑连接。圆形进流孔与圆角矩形出流孔中心均位于船底至设计水线一半处。

前缘引流技术之所以要应用在装有鼻艏的船舶上才能减阻，是因为前缘引流增大了船舶的湿表面积从而增大了摩擦阻力，并且如果开口形状选择不合理还会引起漩涡从而增大粘压阻力。所以前缘引流只有应用在船首压力很大、船首呈钝形的船舶上，才能弥补其自身增大摩擦阻力、粘压阻力的缺点，并充分发挥其减少船舶首尾压差、改变船体壁面边界层厚降低船体壁面上的切应力、改善了艉部伴流场分布的优势。

装有垂直艏和装有球鼻艏的船舶类似，船首的压力均较大。基于这点来分析，在相同船长、船体形状的船舶上，将“垂直艏”和“前缘引流技术”结合与将“球鼻艏”和“前缘引流技术”结合两种方法会具有相似的减阻效果。另外垂直艏能改善首部和全船的压力分布，相比于球鼻艏能更大程度上减少兴波阻力、破波阻力和粘压阻力，在方形系数较大的低速肥大船上尤为明显。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

创新地提出垂直艏的概念，用其代替球鼻艏；并且进一步的将垂直艏技术和前缘引流技术结合起来，能有效减小兴波阻力，并且更大程度的减小粘压阻力，使得全船的总阻力最终减少3％之多。

附图说明

图1为本实用新型所述的组合减阻结构的示意图。

图2为图1的船首结构示意图。

图3为图1的船尾结构示意图。

图4a为母船船体表面压力云图。

图4b为组合减阻船型船体表面压力云图。

图4c为垂直艏船型船体表面压力云图。

图4d为前缘引流船型船体表面压力云图。

图5a为母船船体表面自由液面示意图。

图5b为组合减阻船型船体表面自由液面示意图。

图5c为垂直艏船型船体表面自由液面示意图。

图5d为前缘引流船型船体表面自由液面示意图。

图6为组合减阻船型正视标注图。

图7为组合减阻船型俯视标注图。

图8为组合减阻船型右视标注图。

图9为组合减阻船型左视标注图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1、图2和图3，本发明公开了一种用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，包括船体，在所述船体的船首位置安装有垂直艏，在所述垂直艏的前端开设有圆形孔，在所述船体的尾部开设有圆角矩形孔，所述圆形孔与所述圆角矩形孔前后贯通，且在船体的内部平滑过渡构成流体经过的流道，并且该结构各参数可以根据特定方法进行确定。

在第一部分，主要介绍了垂直艏相较于球鼻艏的突出优点。第二部分介绍了垂直艏在经过型线优化之后可以达到更好的效果。第三部分通过在模型尺度下进行非常有针对性的数值模拟，模型缩尺比为1/26，分析了该减阻技术的减阻效果以及减阻机理。在第四部分介绍了实际船舶尺寸以及其各减阻结构尺寸，位置以及确定方法。其他船舶如果应用该技术可以采用相似比例应用于其上。

一、用垂直艏代替常规球艏减阻

本发明所述的与常规球艏船型相比，垂直艏船型静水阻力约可降低3％～9％，波浪中阻力增加可减小6％～44％。船舶的方形系数越大，垂直艏的减阻效果越显著。由此可见，垂直艏船型在静水和波浪中均具有较为优良的阻力性能，在实际航行中具有能耗更低的优点，并且尤其适合方形系数较大的低速肥大船，例如散货船和油轮。

选取四种模型：船型1为散货船，船型2为油船，船型3为散货船，船型4为结构吃水状态。每个模型中均有常规球艏和垂直艏两组比较，垂直艏船型与球鼻艏船型首尾线型从全船性能角度进行了优化，具体表现为垂直艏船型排水量前移，尾部线型相对瘦削。

实验1：静水实验

表1：1垂直艏较球鼻艏船型静水功率减小百分比(％)

结论：

(1)对于保持船身和尾部型线不变，仅仅将球鼻艏改为垂直艏的肥胖船型，在设计吃水状态可以获得2％～4％左右的阻力降低；对于船舶吃水的影响，结构吃水状态的减阻效果更为显著，而压载吃水状态的减阻效果略小。方形系数较大的散货船型减阻效果显得更好一些。

(2)针对垂直艏进行全船线型优化的船型和球鼻艏船型相比较，由于垂直艏船型排水量适当前移，后体相对瘦削，垂直艏船型相对于球鼻艏船型的减阻效果更佳，在设计吃水状态减阻效果可达8％～9％左右。

实验2：波浪增阻试验

表2：船型2垂直艏较球鼻艏船型波浪增阻减小百分比(％)

表3：船型4垂直艏较球鼻艏船型波浪增阻减小百分比(％)

结论：

(1)对于散货船、油船等肥大型船，采用垂直艏，在保持总长不变的前提下加大两柱间长，可以有效地减小首部水线的进流角和艏肩部水线的变化率，对于改善首部和全船的压力分布，减小船舶兴波阻力、破波阻力、粘压阻力均具有一定的效果。垂直艏船型还能有效地降低波浪上的阻力增加，具有优良的静水和波浪阻力性能。对常规球鼻艏型肥大船，在船身及尾部型线相同，仅将首型修改为垂直艏，将可能获得2％～4％左右的节能效果。

(2)若将首型改为垂直艏的同时，对全船型线进行修改，将排水量适当前移，后体相对瘦削，减阻效果更佳，在设计吃水状态减阻效果可达8％～9％。

(3)垂直艏船型在波浪中的阻力增加较球鼻艏船型要小，在常用速度范围，方形系数0.81～0.82的油船，垂直艏波阻增加降低约9％～18％，对于方形系数0.86～0.87的散货船，垂直艏较球鼻艏波阻增加降低约24％～44％，大方形系数散货船采用垂直艏波阻增加降低更为明显。

(4)对于大方形系数船舶，采用垂直艏船型在设计、结构、压载吃水均具有一定的静水减阻效果，与球鼻艏船型相比，结构吃水状态的减阻效果较大，压载吃水状态的减阻效果略小。随着方形系数的增加，垂直艏船型在静水和波浪上的减阻效果更为显著。

(5)对于低速肥大型运输船舶，尤其是大方形系数的散货船型，垂直艏船型是一种静水和波浪减阻性能俱佳、有推广价值的船型。

二、垂直艏艏部线型优化

对于低速肥大型运输船舶，尤其是大方形系数的散货船型，垂直艏船型是一种静水和波浪减阻性能俱佳、有推广价值的船型。现在在不改变艏部方形系数的前提下，通过艏部各站肥瘦程度来改变艏部进流角，研究进流角对阻力性能的影响，从而在散货船和油轮上得到更好地减阻效果。

研究船型：3万吨级散货船

模型参数见下表

表4：某3万吨级散货船的主尺度参数

设计吃水16.5m，设计航速14kn，缩尺比43.3，水温20℃。通过调整18～20站的肥瘦程度，来实现进流角的变化并通过CFD数值计算工具对其阻力性能进行数值模拟，判断优化结果。

表5：具体方案

表6：数值计算结果

结论：

进流角过小对于船舶阻力性能是不利的，适当增大舶部进流角有利于降低总阻力系数，改善阻力性能。

三、模拟结果与分析

我们对垂直艏-前缘引流减阻结构进行了非常有针对性的在模型尺度的数值模拟，以减少计算量，缩短计算时间。模型缩尺比为0.038。我们将对四艘主尺度相似的船型进行数值计算。从航行中所受到的阻力构成，自由面情况，船体表面压力等方面比较并且分析在相同工况下四种船型的阻力情况，进而对垂直艏—前缘引流组合减阻方案的效果进行验证并且对减阻机理进行更加深入的分析。

由于本减阻机构主要应用于低速肥大型船舶，所以本发明选择了一艘低速肥大型集装箱船作为母船。在母船基础上通过加装垂直艏和前缘引流机构生成最后的本发明需要验证的组合减阻船型。另外由于需要对组合减阻机理以及各减阻构件之间相互影响进行深入分析，所以本发明还构建了两艘分别加装垂直艏和前缘引流装置的船型。对四种船型分别进行静水实验，实验航速为11.9kn，计算过程中不考虑船体运动，即模型始终保持正浮状态。

参见表7，四种船型均为方尾，组合减阻船型，垂直艏船型采用垂直型船艏，前缘引流船型以及母船采用前倾型船首。前缘引流前端为近似圆形，直径为350cm，引流通道后部为近似圆角矩形，长轴长度为1000cm，短轴长度为100cm。垂直艏结构长1025cm，宽800cm。

	母船	垂直艏船型	前缘引流船型	组合减阻船型
					总长Loa(m)	156.6	156.6	156.6	156.6
水线长Lwl(m)	146.716	149.113	146.716	149.113
					型宽B(m)	24.932	24.932	24.932	24.932
型深D(m)	16.142	16.142	16.142	16.142
					吃水d(m)	8.790	8.790	8.790	8.790
方形系数Cb(m)	0.889	0.874	0.889	0.874
					湿表面积S(m2)	5951.461	6079.175	8224.766	8429.108

表7

在实船航速11.9节，模型航速0.61节的工况下进行阻力计算，结果如表8所示：

船型	剩余阻力(N)	摩擦阻力(N)	总阻力(N)
				母船	22.59	7.76	30.25
组合船型	19.97	9.44	29.41
				垂直艏	21.87	8.03	29.90
前缘引流	21.48	9.42	30.9

表8

从模拟结果可以看出，组合船相对于母船全船阻力减少0.96N，有效减阻3.097％。其中剩余阻力显著减少2.62N。组合减阻船型虽然由于湿表面积显著增大使得摩擦阻力相对母船有明显增大，但由于减阻机构使得剩余阻力部分显著减少，所以全船总阻力减小。数值模拟验证了本项目通过将两种减阻方案按照一定方式有机结合以达到较好减阻效果的思路的正确性，并且说明本发明通过一定方式确定的各参数是比较科学的。数据表明本发明在组合减阻方案的设计，参数设计以及分析上取得一定的进展。

垂直艏作为一种可以有效降低兴波阻力和粘压阻力的减阻设计现在正越来越受到人们的关注。通过对模拟结果进行分析发现，垂直艏的剩余阻力明显低于母船的剩余阻力。虽然垂直艏船型的摩擦阻力相较母船有略微提高，但是总阻力仍然有明显降低，船模阻力降低0.35N，相较母船减阻1.2％，验证了垂直艏单独存在时的减阻效果。

前缘引流减阻在船舶上的应用刚刚起步，其最早应用于诸如圆柱等的钝体减阻，近来才被研究能否应用于方形系数较大的船舶减阻。通过模拟发现，前缘引流确实可以达到非常好的降低剩余阻力的作用，相较于母船剩余阻力降低4.9％。但是由于前缘引流极大地增加了船舶在水中航行时的湿表面积，所以摩擦阻力相较母船增大21.4％。这直接导致总阻力相比于母船增大2.1％。这和国内外很多学者对单独的前缘引流技术进行实验的结果是一致的，实验结果有很大的不确定性。

通过对四个船型的模拟发现，组合减阻技术对于母船的减阻效果是最好的，验证了组合减阻比单一的减阻方式拥有更好的减阻效果，证明了本减阻方案的价值。

参见图4a、4b、4c、4d和5a、5b、5c、5d，通过压力云图可以发现母船船首压力较高，并且高压面积非常大，这直接造成了母船首尾压力差比较大，粘压阻力非常大。并且从自由液面图可以看出母船的波高相比于其他船型没有明显变化，但是波的扩散范围相较于其他船型要广得多，由于船行波的能量高低直接体现为兴波阻力的大小，所以母船的兴波阻力也较大。

前缘引流技术通过降低首尾压力差以及减小压力面积降低粘压阻力，但是由于其前端不是明显的流线形状，所以波幅较大的区域非常大，直接导致兴波阻力有明显提高，但是由于在低速情况下粘压阻力在剩余阻力中占据主导地位，所以总体剩余阻力还是有所降低。

通过垂直艏压力云图可以看出垂直艏船型船首压力比较高，这和本发明在组合减阻方案机理阐释当中的说明是一致的，即垂直艏虽然可以明显降低兴波阻力，但是其粘压阻力会有明显增大，所以本发明才会通过再加装前缘引流装置减小粘压阻力以达到更好的减阻效果。

参见图5a、5b、5c和5d，通过对组合减阻船型的云图分析发现，兴波阻力受到前缘引流的影响略有增大，但是其粘压阻力有明显减小，所以在总体上呈现出剩余阻力减小。

通过对模拟结果的分析可以得到组合减阻船型的减阻原理：垂直艏可以降低兴波阻力，但是粘压阻力却明显提升；而前缘引流正可以降低首尾压力差以减小粘压阻力，并且其带来的兴波阻力略微增大的影响相比于粘压阻力减小的影响要小，所以达到了剩余阻力大幅降低的效果。在剩余阻力和摩擦阻力的比较中，剩余阻力的减小要明显大于摩擦阻力的增大，所以总阻力降低。但是当航速提高，兴波阻力的影响逐渐超过粘压阻力的时候，组合减阻船型可能在减阻方面的效果会有所下降。

四、垂直艏-前缘引流组合减阻船型参数计算

本发明选择一艘集装箱船作为母型船，并对其和在此基础上进行改进的垂直艏-前缘引流组合船型进行阻力性能的分析与计算。母型船的总长L_oa为156.6m，水线长L_wl为146.716m，型宽B为24.932m，型深D为16.142m。另外，与阻力性能密切相关的参数分别是吃水d为8.790m，方形系数C_b为0.889，湿表面积S为5951.461m²。

船舶阻力按照流体性质可以分为摩擦阻力，粘压阻力以及兴波阻力。其中粘压阻力和兴波阻力成为压阻力。模拟过程采用实际工作环境，水的温度为20℃。实船航速为11.9节，为低速工况。根据船舶阻力相关知识可知，在航速为11.9节的工况下，压阻力在总阻力中占据超过50％的比例，因此本发明以尽可能多地同时减小兴波阻力和粘压阻力为设计垂直艏-前缘引流组合减阻船型以及确定垂直艏，前缘引流开孔的形状，大小，处于船体的位置等参数的主导思想。当然，本发明在计算垂直艏和前缘引流参数时也考虑了船体骨架强度和组合船装载量等因素的影响。

本发明在对母船进行改进时首先考虑的是如何同时减小兴波阻力和粘压阻力。

本发明设计的垂直艏的形状是半圆柱，倾斜角度较小，应用于首倾较小的船上效果更好。并且当体积较大的垂直艏应用于船首时，能显著改善船首的进流角。理论分析表明，当半圆柱形垂直艏的迎流面积与船的水线面以下横截面积的比例达0.373时，船首的进流角被优化到最佳值。由此计算得垂直艏的迎流面积应为82m²。此时首部型线得到最佳优化，可以使分离点的位置后移，从而延迟边界层分离现象的出现，有效地减少了漩涡，从而减少了船首尾的压力差。虽然由于粘性层的存在，首尾压力差仍然存在，但已经得到有效减小。粘压阻力从而大幅度降低。

另外考虑到要最大程度地减小兴波阻力，必须使垂直艏产生的波系的波峰与船自身产生的波系的波谷重合。本发明经过几轮的数值模拟计算和多次的参数修改，最终发现当垂直艏垂向高度与横向宽度的比例达1.3时，能使垂直艏产生的波系的波峰与船自身产生的波系的波谷最大程度地重合。结合根据最佳进流角计算出来的垂直艏迎流面积，最终垂直艏垂向高度为10.25m，横向宽度为8.00m。除此以外，为了使船底和垂直艏连接处的流场稳定不产生额外的粘压阻力，本发明使垂直艏的底部与船底重合。综上，本发明设计的垂直艏可以最大限度地同时减小兴波阻力和粘压阻力。

除此以外，垂直艏船型不仅不会降低船舶的阻力性能，反而相当于在不增加总长的情况下，间接增加了船舶的水线长L_wl。也就是说，在不降低航速的前提下，增加排水量，即载运更多的货物，降低单位货物的营运成本，提高经济效益。

在应用了垂直艏技术并且通过理论分析和实验调整等方法确定了垂直艏的各种参数之后，本发明在垂直艏技术的基础上应用前缘引流技术。前缘引流技术不仅能减小因首尾压力差产生的粘压阻力，更能开孔引流改变船舶艏艉区的流场分布。我们经过理论分析发现，如果将前缘引流技术和我们所提出的垂直艏技术结合，将使船首部，肩部，尾部的流场更均匀，分离现象更少，能从全船范围内减少漩涡产生的概率。相比于单纯应用垂直艏技术和单纯应用前缘引流技术，将两者组合能更有效得减少粘压阻力。

根据伯努利原理可知，当流管的面积不变时，流管中液体均匀流动，流管中不同截面上的压力相等。此时流体不会因压力的变化对流管产生额外的阻力。因此我们将前缘引流的槽设计为纵向截面积处处相等但形状从前往后逐渐变扁的结构。为了避免因壁面急剧变化而产生的漩涡引起的粘压阻力，我们将船首的孔设计为圆形，船尾的孔设计为圆角矩形。

当开孔面积增大时，更多的流体通过开槽直接流向船尾，船首高压区面积更大程度地减小，首尾压力差连同其引起的粘压阻力将得到更大限度的减小。但是，开孔面积增大后，船体湿面积增大，摩擦阻力随之增大。我们经过多次数值模拟后确定了开孔面积的大小为9.62m²，从而使粘压阻力和摩擦阻力的总和最小。换算后得船首圆形开孔直径为3.50m，船尾圆角矩形开孔长边近似为9m，短边近似为1m，圆角半径为0.5m。

当开孔距船底距离越大时，更接近船首高压区，首尾压力差会更大程度地减小。但是船体骨架承载纵向扭矩和横向弯矩的能力会下降，并且船舶的装载量也会下降。综合考虑，我们将船首圆形开孔的圆心和船尾圆角矩形开孔的中心定在距离船底3.44m。

参见图6，图7，图8和图9，该垂直艏-前缘引流组合减阻结构的具体参数可以调整至相对优良状态，其他船舶如要应用本发明可以采用相同比例应用于其上，会达到非常好的效果。

该母型船与组合减阻船型总尺度如下表：

	母船	组合减阻船型
			总长Loa(m)	156.6	156.6
水线长Lwl(m)	146.716	149.113
			型宽B(m)	24.932	24.932
型深D(m)	16.142	16.142
			吃水d(m)	8.790	8.790
方形系数Cb(m)	0.889	0.874
			湿表面积S(m2)	5951.461	8429.108

前缘引流结构的位置尺寸参数如下表：

	船首开孔	船尾开孔
			形状	圆形	圆角矩形
大小	直径3.5m	长边9m，短边1m，圆角半径0.5m

横向位置	横截面中心	横截面中心
			垂向位置	圆心距船底3.44m	中心距船底3.44m
纵向位置	船首	船尾

垂直艏结构位置与尺寸参数如下表：

形状	半圆柱
		垂向高度h/m	10.25
横向宽度a/m	8.00
		垂直艏垂向位置	半圆柱底面与船底重合
垂直艏横向位置	船首中部
		垂直艏纵向位置	位于船首部

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，包括船体，其特征在于：

在所述船体的船首位置安装有垂直艏，在所述垂直艏的前端开设有圆形孔，在所述船体的尾部开设有圆角矩形孔，所述圆形孔与所述圆角矩形孔前后贯通，且在所述船体的内部平滑过渡构成流体经过的流道；

所述垂直艏的主体形状为半圆柱，其倾斜角度小，其垂向高度与横向宽度比值大约为1.3；所述圆形孔为前缘引流进流口，所述圆角矩形孔为前缘引流出流口；进流孔面积略微大于出流孔，并且中间光滑连接；圆形进流孔与圆角矩形出流孔中心均位于船底至设计水线一半处；

所述的低速肥大型船应满足航速低于12节，方形系数C_b大于0.8。