CN105947105A - 一种水下航行器粘液减阻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下航行器粘液减阻装置，属于船舶减阻增效技术领域，它包括：气瓶、活塞缸、流量控制阀、控制器、接头、粘液及气管和液管；所述活塞缸腔体通过活塞分为两部分，一侧腔体通过气管与气瓶连接，另一侧腔体内部为粘液，活塞缸充满粘液的腔体通过设置有流量控制阀的液管与接头的入口连接，接头的一个以上的出口分别通过液管与水下航行器外壳上的粘液释放孔相连；控制器与流量控制阀连接；本发明能够根据水下航行器的航速自动调节减阻粘液释放速度，使减阻粘液均匀、持续的覆盖水下航行器的大部分外表面，以提高水下航行器的最大航速，并能在同等航速下减小能量消耗。

Description

一种水下航行器粘液减阻装置

技术领域

本发明属于船舶减阻增效技术领域，具体涉及一种水下航行器粘液减阻装置。

背景技术

在船舶领域，快速性一直是重要的性能指标之一。船舶的快速性指标，一般指船舶在推力对阻力的对抗作用下，在静水中作等速直线运动时，所能达到最大可能的航速值。快速性的优劣，对民用船舶来说将在一定程度上影响船舶的使用性和经济性，对军用舰艇而言，与提高舰艇的作战性能密切相关，因此每一艘船舶在设计任务书中就给定明确的快速性指标。当船舶的推力固定时，为了提高快速性指标，则需要通过各种手段，使得船舶在航行过程中受到的总阻力降低。

水下航行器所受的阻力可分为摩擦阻力、形状阻力和粗糙度附加阻力三部分。传统的减阻方式主要通过外形的优化设计降低形状阻力，通过提高光洁度和控制加工时的表面粗糙度降低粗糙度附加阻力。在已经采用流线外形的水下航行器以及现有加工工艺下，传统方法进一步降低阻力的空间已经不大。事实上，船舶的摩擦阻力一般大于形状阻力，可占到总阻力的50％以上。对于水下航行器，这一比例还要更高。因此，想要进一步减小水下航行器的阻力，必须从减小表面的摩擦阻力入手。

目前主流的表面减阻方法主要有超疏水减阻、沟槽减阻与粘液减阻等。其中超疏水减阻表面的气穴结构在水压的作用下易发生破坏，不适用于水下减阻。沟槽减阻方法的减阻效率相对较差，且沟槽容易被海洋生物附着而失去减阻效果。粘液减阻的减阻效果相对较高。研究表明，在流体中加入少量的减阻粘液(其成分主要为高分子聚合物或表面活性剂分子)，湍流流动的摩擦阻力将显著降低。然而目前，粘液减阻的方法主要用于石油、供暖等内流管道，尚未应用于船舶领域。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种水下航行器粘液减阻装置，能够根据水下航行器的航速自动调节减阻粘液释放速度，使减阻粘液均匀、持续的覆盖水下航行器的大部分外表面，以提高水下航行器的最大航速，并能在同等航速下减小能量消耗。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种水下航行器粘液减阻装置，包括：气瓶、活塞缸、流量控制阀、控制器、接头、粘液及气管和液管；

其外围设备为水下航行器；

所述水下航行器外壳的平行段上开有一圈或两圈沿其圆周方向均匀分布的粘液释放孔；

所述气瓶用于提供粘液释放的驱动力；

所述控制器用于获取水下航行器的航速，并依据其内部预存的航速与粘液流量的关系曲线得到当前航速下所需的粘液释放流量，控制流量控制阀的开口大小；

所述接头有一个入口和一个以上的出口，所述出口个数与粘液释放孔的个数相同；

其连接关系如下：所述活塞缸腔体通过活塞分为两部分，一侧腔体通过气管与气瓶连接，另一侧腔体内部为粘液，活塞缸充满粘液的腔体通过设置有流量控制阀的液管与接头的入口连接，接头的一个以上的出口分别通过液管与水下航行器外壳上的粘液释放孔相连；控制器与流量控制阀连接。

进一步的，所述活塞缸为双体活塞缸，包括：第一缸体、第一活塞、连杆、通海管、第二活塞及第二缸体；

第一活塞位于第一缸体内部，将第一缸体的内腔分为两个腔体，分别为腔体A和腔体B，腔体A通过气管与气瓶相通；

第二活塞位于第二缸体内部，将第二缸体的内腔分为两个腔体，分别为腔体C和腔体D，腔体C通过通海管与水下航行器外部的海水相通，腔体C内部为海水，腔体D通过设置有流量控制阀的液管与接头的入口连接，腔体D内部为粘液；

连杆的两端分别位于第一缸体的腔体B内及第二缸体的腔体C内，且分别与第一活塞及第二活塞固定连接。

进一步的，所述粘液为高分子聚合物或表面活性剂，所述高分子聚合物或表面活性剂中的分子为长链有序结构。

进一步的，所述粘液释放孔的轴线向水下航行器的尾部倾斜30度。

进一步的，当所述粘液释放孔的个数不影响水下航行器耐压壳体的耐压能力时，粘液释放孔加工在水下航行器的耐压壳体上；否则所述粘液释放孔加工在水下航行器的非耐压壳体上。

进一步的，若粘液释放孔位于水下航行器的耐压壳体上，气瓶、双体活塞缸、流量控制阀、控制器及接头均位于水下航行器的耐压壳体内部；

若粘液释放孔位于水下航行器的非耐压壳体上，气瓶、双体活塞缸、流量控制阀及控制器均位于水下航行器的耐压壳体内部；接头位于水下航行器的耐压壳外。

进一步的，所述第一缸体与第二缸体的轴向长度相等，第一缸体的直径小于第二缸体的直径。

进一步的，所述气瓶提供的压力P的确定方法为：

根据所选粘液减阻剂的减阻特性及所需达到的预期减阻效果，计算所需水下航行器附近粘液的最小浓度c；

通过数值仿真或试验的方法计算在不同航速V下，要使水下航行器附近粘液的浓度达到c时，从粘液释放孔排出的粘液流量Q；并得到航速V与粘液流量Q的关系曲线；

水下航行器在航行过程中，控制器实时获取航速信息，根据航速V与粘液流量Q的关系曲线得到当前航速下所需的粘液释放流量q，

根据所需的粘液释放流量q，计算气瓶的压力P：

$P>\mathrm{\Δ}P\frac{S_2}{S_1}$

其中S₁为第一活塞的面积，S₂为第二活塞的面积，ΔP为因为输送粘液的液管的沿程阻力和接头位置的局部损失下降的压力总和。

有益效果：(1)本发明释放的粘液覆盖于水下航行器表面，能够减小水下航行器所受的摩擦阻力；并在主机功率一定时能够增大最高航速，提高了机动能力；在航速一定时所消耗的推进功率减少，蓄电池的电量消耗降低，提高了水下航行器的续航能力。

(2)本发明释放的粘液中分子的长链有序结构能够抑制边界层的湍流脉动，从而抑制水下航行器运动时的流噪声，以及湍流边界层激励水下航行器外壳产生的辐射噪声，有利于提高水下航行器的隐蔽性。

(3)本发明释放的粘液覆盖于水下航行器表面，使得海洋生物难以附着，有利于提高水下航行器表面的防污能力。

(4)本发明通过控制流量控制阀的开口大小能够根据水下航行器的航速调节粘液释放速度；低航速时减小粘液流量，降低粘液消耗；高航速时增大粘液流量，保证减阻效果。

(5)本发明中采用的双体活塞缸能够在第一缸体容积变化很小的情况下使第二缸体获得较大的容积变化，因此能够采用较小的气瓶，减小了装置的体积；同时能够使气瓶的压力相对恒定，提高粘液流量的控制精度。

(6)本发明中的第二缸体的腔体C与海水相通，随着腔体D中粘液的消耗，第二活塞移动时海水会进入第二缸体的腔体C，实现了自动补重，使水下航行器的重心位置保持不变，无需进行姿态调节。

(7)本发明中的第二缸体的腔体C与海水相通，海水压力作用于第二活塞，平衡了粘液释放孔所受的海水压力，使粘液的释放速度不受水下航行器工作深度的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中双体活塞缸的结构示意图。

图3为本发明中粘液释放孔的位置示意图。

其中，1-气瓶，2-双体活塞缸，3-流量控制阀，4-控制器，5-接头，6-粘液释放孔，21-第一缸体，22-第一活塞，23-连杆，24-通海管，25-第二活塞，26-第二缸体。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种水下航行器粘液减阻装置，参见附图1，包括：气瓶1、双体活塞缸2、流量控制阀3、控制器4、接头5、粘液及气管和液管；

其外围设备为水下航行器；

参见附图3，所述水下航行器外壳的平行段上开有一圈或两圈沿其圆周方向均匀分布的粘液释放孔6；粘液释放孔6的轴线向水下航行器的尾部倾斜30度；且所述粘液释放孔6的个数、孔径大小及形状要考虑水下航行器表面附近的流场分布，使从粘液释放孔6流出的粘液能够覆盖水下航行器的大部分表面；若粘液释放孔6的个数较少，粘液释放孔6可以直接加工在水下航行器的耐压壳体上；若粘液释放孔6的个数较多以致影响水下航行器的耐压壳体的结构，则粘液释放孔6加工在水下航行器的非耐压壳体上，如水舱外壁等位置；

所述气瓶1用于提供粘液释放的驱动力；

所述双体活塞缸2内装有粘液；

所述控制器4用于获取水下航行器的航速，并依据所述航速计算所需的粘液释放流量，进而控制流量控制阀3的开口大小；

所述流量控制阀3根据控制器4提供的信号调节粘液释放速度，进而控制粘液的流量；

所述接头5有一个入口和一个以上的出口，所述出口个数与粘液释放孔6的个数相同；

所述粘液为高分子聚合物或表面活性剂，所述高分子聚合物或表面活性剂中的分子为长链有序结构，如聚乙烯氧化物(分子量大于50万)、聚丙烯酰胺(分子量大于50万)、十六烷基三甲基氯化铵等物质的水溶液，浓度范围在0.0001％～0.1％(质量分数)之间，具有良好的化学稳定性和生物降解性；

其连接关系如下：双体活塞缸2的一端通过气管与气瓶1连接，另一端通过流量控制阀3与接头5的入口连接，接头5的一个以上的出口分别通过液管与水下航行器外壳上的粘液释放孔6相连；控制器4与流量控制阀3连接，进而控制流量控制阀3的开口大小；

若粘液释放孔6位于水下航行器的耐压壳体上时，气瓶1、双体活塞缸2、流量控制阀3、控制器4及接头5均位于水下航行器的耐压壳体内部；

若粘液释放孔6位于水下航行器的非耐压壳体上时，气瓶1、双体活塞缸2、流量控制阀3及控制器4均位于水下航行器的耐压壳体内部；接头5位于水下航行器的耐压壳外；

其中，参见附图2，所述双体活塞缸2包括：第一缸体21、第一活塞22、连杆23、通海管24、第二活塞25及第二缸体26；

第一活塞22位于第一缸体21内部，将第一缸体21的内腔分割为两个腔体，分别为腔体A和腔体B，腔体A通过气管与气瓶1相通，腔体A的压力等于气瓶1的压力；另一个腔体B开放；

第二活塞25位于第二缸体26内部，将第二缸体26的内腔分割为两个腔体，分别为腔体C和腔体D，腔体C通过通海管24与水下航行器外部的海水相通，腔体C内部为海水，腔体D通过液管与流量控制阀3相连，腔体D内部为粘液；

连杆23的两端分别位于第一缸体21的腔体B内及第二缸体26的腔体C内，且分别与第一活塞22及第二活塞25固定连接；其中，第一缸体21与第二缸体26的轴向长度相等，但第一缸体21的直径d₁小于第二缸体26的直径d₂。

工作原理：在初始时刻，第一活塞22和第二活塞25分别位于第一缸体21和第二缸体26内部的一端，即第一缸体21的腔体A和第二缸体26的腔体C的体积为零，第二缸体26的腔体D内的粘液体积为最大粘液携带量；

工作时，通过气瓶1向第一缸体21的腔体A充气，推动第一活塞22向靠近第二缸体26的方向移动；第一活塞22通过连杆23带动第二活塞25移动，进而挤压第二缸体26的腔体D，腔体D内的粘液压力增大，粘液通过液管流入流量控制阀3后，依次通过接头5的出口及粘液释放孔6排出；此时，第二缸体26的腔体C内的压力降低，海水通过通海管24被吸入到腔体C内；

让海水进入第二缸体26的腔体C的作用在于：一方面使水下航行器的重心位置不随粘液的消耗改变，无需对水下航行器进行姿态调节；另一方面使海水压力作用于第二活塞25，平衡了水下航行器外壳上的粘液释放孔6所受的海水压力，使粘液的排出速度不受水下航行器工作深度的影响；双体活塞缸2能够在第一缸体21容积变化很小的情况下使第二缸体26获得较大的容积变化，因此能够采用较小的气瓶1，减小了装置的体积；同时能够使气瓶1的压力相对恒定，提高粘液流量的控制精度。

气瓶1提供的压力P的确定方法如下：

(1)根据所选粘液减阻剂的减阻特性及所需达到的预期减阻效果，计算所需水下航行器附近粘液的最小浓度c；

(2)通过数值仿真或试验的方法计算在不同航速V下，要使水下航行器附近粘液的浓度达到c时，从粘液释放孔6排出的粘液流量Q；并得到航速V与粘液流量Q的关系曲线；

(3)水下航行器在航行过程中，控制器4实时获取航速信息，根据航速V与粘液流量Q的关系曲线得到当前航速下所需的粘液释放流量q，将所述粘液释放流量q信息传递给流量控制阀3,控制阀3依此调节开口大小；

(4)根据所需的粘液释放流量q，计算气瓶1的压力P：

$P>\mathrm{\Δ}P\frac{S_2}{S_1}$

其中S₁为第一活塞22的面积，S₂为第二活塞25的面积，ΔP为因为输送粘液的液管的沿程阻力和接头位置的局部损失下降的压力总和，且ΔP与粘液的粘度、液管的长度和液管内摩擦系数因素有关，其具体计算方法如下：

粘液从双体活塞缸2的腔体D出口到水下航行器外壳上的粘液释放孔6的广义伯努利方程为：

$\frac{P_0+\mathrm{\Δ}P}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{v_1^2}{2g}=\frac{P_0}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{v_2^2}{2g}+\frac{1}{2g}\[v_1^2({\mathrm{\λ}}_1\frac{l_1}{d_1}+{\mathrm{\ζ}}_1+{\mathrm{\ζ}}_2+{\mathrm{\ζ}}_3)+v_2^2{\mathrm{\λ}}_2\frac{l_2}{d_2}\]$

求解由上式可得到ΔP；

其中，P₀为海水压力，ρ为海水密度，g为重力加速度；v₁、λ₁、l₁、d₁代表进入接头5之前的液管的流速、阻力系数、长度和直径，v₂、λ₂、l₂、d₂代表由接头5流出后的液管的流速、阻力系数、长度和直径；ζ₁代表双体活塞缸2的腔体D出口处的损失系数，ζ₂代表流量控制阀3的损失系数，ζ₃代表接头5的损失系数；且λ₁、λ₂、ζ₁、ζ₂、ζ₃可通过实验测量得到，其中q为粘液释放流量，n为粘液释放孔6的数目；

即可算出气瓶1提供的压力P；

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下航行器粘液减阻装置，其特征在于，包括：气瓶(1)、活塞缸、流量控制阀(3)、控制器(4)、接头(5)、粘液及气管和液管；

其外围设备为水下航行器；

所述水下航行器外壳的平行段上开有一圈或两圈沿其圆周方向均匀分布的粘液释放孔(6)；

所述气瓶(1)用于提供粘液释放的驱动力；

所述控制器(4)用于获取水下航行器的航速，并依据其内部预存的航速与粘液流量的关系曲线得到当前航速下所需的粘液释放流量，控制流量控制阀(3)的开口大小；

所述接头(5)有一个入口和一个以上的出口，所述出口个数与粘液释放孔(6)的个数相同；

其连接关系如下：所述活塞缸腔体通过活塞分为两部分，一侧腔体通过气管与气瓶(1)连接，另一侧腔体内部为粘液，活塞缸充满粘液的腔体通过设置有流量控制阀(3)的液管与接头(5)的入口连接，接头(5)的一个以上的出口分别通过液管与水下航行器外壳上的粘液释放孔(6)相连；控制器(4)与流量控制阀(3)连接。

2.如权利要求1所述的一种水下航行器粘液减阻装置，其特征在于，所述活塞缸为双体活塞缸(2)，包括：第一缸体(21)、第一活塞(22)、连杆(23)、通海管(24)、第二活塞(25)及第二缸体(26)；

第一活塞(22)位于第一缸体(21)内部，将第一缸体(21)的内腔分为两个腔体，分别为腔体A和腔体B，腔体A通过气管与气瓶(1)相通；

第二活塞(25)位于第二缸体(26)内部，将第二缸体(26)的内腔分为两个腔体，分别为腔体C和腔体D，腔体C通过通海管(24)与水下航行器外部的海水相通，腔体C内部为海水，腔体D通过设置有流量控制阀(3)的液管与接头(5)的入口连接，腔体D内部为粘液；

连杆(23)的两端分别位于第一缸体(21)的腔体B内及第二缸体(26)的腔体C内，且分别与第一活塞(22)及第二活塞(25)固定连接。

3.如权利要求1或2所述的一种水下航行器粘液减阻装置，其特征在于，所述粘液为高分子聚合物或表面活性剂，所述高分子聚合物或表面活性剂中的分子为长链有序结构。

4.如权利要求1或2所述的一种水下航行器粘液减阻装置，其特征在于，所述粘液释放孔(6)的轴线向水下航行器的尾部倾斜30度。

5.如权利要求1或2所述的一种水下航行器粘液减阻装置，其特征在于，当所述粘液释放孔(6)的个数不影响水下航行器耐压壳体的耐压能力时，粘液释放孔(6)加工在水下航行器的耐压壳体上；否则所述粘液释放孔(6)加工在水下航行器的非耐压壳体上。

6.如权利要求5所述的一种水下航行器粘液减阻装置，其特征在于，若粘液释放孔(6)位于水下航行器的耐压壳体上，气瓶(1)、双体活塞缸(2)、流量控制阀(3)、控制器(4)及接头(5)均位于水下航行器的耐压壳体内部；

若粘液释放孔(6)位于水下航行器的非耐压壳体上，气瓶(1)、双体活塞缸(2)、流量控制阀(3)及控制器(4)均位于水下航行器的耐压壳体内部；接头(5)位于水下航行器的耐压壳外。

7.如权利要求2所述的一种水下航行器粘液减阻装置，其特征在于，所述第一缸体(21)与第二缸体(26)的轴向长度相等，第一缸体(21)的直径小于第二缸体(26)的直径。

8.如权利要求2所述的一种水下航行器粘液减阻装置，其特征在于，所述气瓶(1)提供的压力P的确定方法为：

(1)根据所选粘液减阻剂的减阻特性及所需达到的预期减阻效果，计算所需水下航行器附近粘液的最小浓度c；

(2)通过数值仿真或试验的方法计算在不同航速V下，要使水下航行器附近粘液的浓度达到c时，从粘液释放孔(6)排出的粘液流量Q；并得到航速V与粘液流量Q的关系曲线；

(3)水下航行器在航行过程中，控制器(4)实时获取航速信息，根据航速V与粘液流量Q的关系曲线得到当前航速下所需的粘液释放流量q，

(4)根据所需的粘液释放流量q，计算气瓶(1)的压力P：

$P>\mathrm{\Δ}P\frac{S_2}{S_1}$

其中S₁为第一活塞(22)的面积，S₂为第二活塞(25)的面积，ΔP为因为输送粘液的液管的沿程阻力和接头位置的局部损失下降的压力总和。