CN107406121B

CN107406121B - 船的前部的设计

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Publication number: CN107406121B
Application number: CN201580071093.XA
Authority: CN
Inventors: 罗阿尔·约翰·莫恩
Original assignee: Rasmussen Maritime Design AS
Current assignee: Rasmussen Maritime Design AS
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2019-03-26
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: DK3247620T3; MY186843A; NZ732720A; CA2971771C; KR102461779B1; MX2017008217A; JP6697786B2; US20170341712A1; EP3037338A1; EP3247620B1; DK3247620T5; KR20170096052A; PH12017501036B1; TR201909861T4; CN107406121A; AU2015371072A1; PL3247620T3; EP3247620A1; AU2015371072B2; CA2971771A1

Abstract

本发明涉及海船的设计并且可用于大多数船体类型，从缓慢移动的船舶和驳船到操作直到计划速度的高速船舶和小船，还可用于帆船。本发明涉及船的前部的设计，并且涉及一种在较宽的速度范围内减小船的波浪阻力、并且还减小或消除飞溅阻力和破波浪阻力的装置。该装置包括完全浸入或部分浸入水体中并且定位在船头区域处的主体，该主体与后面的船体相互作用地工作。将主体设计并定位为使得，其本质上在竖直平面中转移迎面而来的水体，然后引导在主体的顶面上通过的水体使其远离船头区域和/或本质上与船头区域平行，这种船体本身在主体后面，最小可能程度地转移迎面而来的水体。从而获得减小的对船的前进运动的阻力。

Description

船的前部的设计

技术领域

本发明涉及海船的设计并且可适用于多种船体类型，从缓慢移动的船舶、帆船和驳船到操作直到计划速度的高速船舶和快艇，还涉及帆艇和多体船。特别地，本发明涉及船的前部的构造，该前部包括减小船的波浪阻力，以及减小或消除飞溅和破波浪阻力的装置。

背景技术

当船在水体的表面移动时，许多不同的阻力因素作用于船的运动。在图1中举例说明了用于排水艇的个别部件的阻力系数。如可看到的，摩擦阻力C_F和波浪阻力C_W是两个主要因素。对于设定的船，弗劳德数[F_N]随着增加的速度而增加，沿着x轴表示：

将阻力系数C_F和C_W乘以速度的平方(v²)以获得对前进运动的阻力，单位是牛顿[N]。因此，波浪阻力随着增加的速度而非常快速地增加。

大多数船具有船头(bow，弓形件)构造，其中，使船在快速移动时所遇到的水体在船的横向方向基本上侧向地移动。当船通过水体时，在船头前面产生水的局部减速，即，减小水相对于船体的相对速度。进一步向后，在船体宽度增加的地方，出现水体的相对加速，因为由于船体形状的结果而迫使水离开至侧面，也可能在船的下方。水流速度的这些相对变化是波浪的产生和压力变化的原因，并且由伯努利方程给出：

低相对水流速度导致压力增加和相对于周围水体的波峰，而更高的相对水流速度产生更低的压力和波谷。

船由此在船的前面形成波峰，在相对水流速度较低的地方。进一步向后，在船体宽度增加的地方，由于高相对水流速度而产生波谷。

船体下的增加的水流速度也在船体下导致更低的压力，从而当船速增加时损失浮力。在术语波浪阻力中包括此阻力。

由运动的船体产生的并且蔓延到周围水体的波，代表失去的能量。总阻力与波浪阻力通常组成的持续航速下的前进运动的比例，取决于船的类型，30％-70％，并且随着增加的速度而急剧地增加。

为了减小船对前进运动的阻力，因此关键的是将波浪阻力减到最小。

现有技术

球形船首

为了减小总的从船产生的波，绝大多数一定尺寸的船今天都配有某些形式或其他形式的球形船首。球形船首基本上通过在周围的水体中导致产生自己的波来工作。试图使此波与船体的波系统尽可能多地反相，以获得有利的波干扰。在图3A和图3B中示意性地示出了来自现有技术球形船首的波的形成及水面5的位置的实例。

图3A是带有根据现有技术的球形船首的船的侧视图，其中，以设计速度操作船。由船的球形船首产生的波系统31与由船体的船头部分产生的波系统32反相，使得合成的波33(其是两个波系统31和32的和)几乎是平的。

由于波的长度随着增加的速度而增加，所以球形船首的问题是，当速度增加时将进一步向后在船上产生波谷，当减小速度时将进一步向前产生波谷。另一方面，将在同一点产生波峰，因此，仅在有限的速度范围内，来自球形船首的波和来自船的船体的波将具有有利的波干扰。在除了设计速度以外的速度下，来自球形船首和船体的波将不再是反相的。这可清楚地从图3B所示的示意图中看到，其中，增加的波长导致球形船首的波系统31不再抵消由船体的船头部分产生的波系统32的相，使得合成的波33增加。

实际上，球形船首以相对低的速度工作，通常是从F_N＝0.23到F_N＝0.28。然而存在这样的船，其中，球形船首位于船体的船头部分前面的向前较远处，使得在更高的速度下出现消波。但是对于大多数船来说，将球形船首放在船头部分前面这么远并不方便。对于F_N＝0.32的速度来说，必须将球形船首放在船头区域前面的船体长度的大约1/4处，对于F_N＝0.4的速度来说，必须将球形船首放在船头区域前面的船体长度的大约1/2处。

从前面看，球形船首通常是几乎球形的。另选地，其可制造得更三角形。在图4A、图4B和图4C中示意性地示出了传统球形船首的不同构造。虚线5表示水面。所有球形船首的共同特征是，该前部区域和宽度相对于水面下方的船体的前部区域和宽度而言较小。而且，现有技术的球形船首具有大约1的宽度/高度比。球形船首的位置和构造意味着，其在水平面和竖直平面中基本上移走相等的迎面而来的水体，如图4A、图4B和图4C中的箭头所示。

薄的产生波的板

还存在其他已知的基于两个主体之间的消波的解决方案。

参考US 4,003,325，其描述了一种基于板和船体之间的消波的薄产生波底板。

US 4,003,325公开出，产生波的板具有大约1/3船体宽度的最大宽度，并且公开出，轻负载条件下的板的竖直厚度可占据船在船头处的吃水深度的差不多1/3，并且进一步公开出，将板设置为与船体的底部基本上共面。因此从前面看的薄板的表面区域相对于水面下方的船体的前部区域而言非常小(最大大约11％)。

注意，薄板主体的平面/直顶面、其有限的厚度，及其在水面下方一定距离与船体底部基本上共面的位置，将仅在很小的程度上产生波，并且注意，此波由此将仅很小程度地有助于抵消由位于后面的船头产生的头波的相。

如以上相对于球形船首描述的，基于有利的波干扰的此解决方案，也将仅能够在较窄的速度范围内优化，并且实际上仅在相对较低的速度下优化。

翼型形状的凸缘

参考JPS58-43593U。

如以上相对于波浪阻力说明的，当船体通过水体时将产生船头前面的水体的局部减速，即，相对速度减小。水体的更低的相对速度导致压力增加和波峰(头波)。

JPS58-43593U中的解决方案试图减小由船头区域产生的头波的高度，因为将翼型形状的凸缘放在水面下方的船体船头区域上，翼型的弯曲顶面导致速度增加，从而导致翼型形状的凸缘的顶面上的头波中的压力减小，这进一步导致头波的高度减小。

提升船翼

在其他已知的阻力减小装置中，可能提到将船体从水中提起的水下提升船翼。在船翼的弯曲顶面处，水流速度增加，从而在船翼的顶面产生比船翼下侧的压力低的压力。因此船翼的顶面产生升力。

图5A示出了在位置1处的双线箭头的方向上以初始速度V₀流向并流过船翼的水体。远离船翼的顶面指向90度的箭头指示了船翼的顶面上的典型负压分布，大约在位置3处的翼型的最大厚度处具有峰值负压。根据伯努利方程(2)，具有图5A所示的负压分布的船翼，将具有如图5B中举例说明的水体的速度分布，大约在位置3处的翼型的最大厚度处达到最大速度V_MAX。因此水体的速度相应地从位置2处的稍微在船翼的前缘后面向位置3处的最大翼型厚度增加，随后从位置3经由船翼的后顶面处的位置4向位置5减小水流速度，在位置5处，水体再次达到其初始速度V₀。为了实现此特殊压力和速度分布，船翼必须布置在水面下足够深度处。

如果船翼未充分浸入水中，那么在船翼的顶面形成的负压将在水面中产生波谷，如图7B所示，其中虚线5指示当船翼不存在时的水面。因此船翼产生波，接着波产生增加的阻力。除了波的产生以外，未充分浸入水中的船翼将产生更小的升力。

即使是在充分浸入水中的船翼的情况中，由船翼产生的升力导致随着增加的升力而增加的阻力。由于船翼本质上导致摩擦阻力和由于升力而产生的阻力，所以仅当将船体从水中大幅度提起时，才会对船体实现总阻力的减小。对于大重量的船体来说，这本身将需要大量能量，从而是不妥当的。因此对于相对轻重量的旨在高速行进的船体来说，船翼根本上将对前进运动产生更小的阻力。

而且，还已知浸入水中的船翼的目的可以是抵消船的运动。

而且，还已知部分充满的浸入水中的船翼，除了动升力(由于船翼的顶面上的负压而产生的升力)以外，该船翼的目的是产生位移浮力(由船翼的体积产生的浮力)。这里，参考US 7,191,725 B2。

舷侧活动舱板

参考JP 1-314686，其描述了一种安装在船头的下梢附近的引导舷侧活动舱板。将引导舷侧活动舱板描述为减小产生波的阻力并且抑制船头区域中的湍流。

JP 1-314686的图6a示出了舷侧活动舱板的顶面处的压力分布，及当单独作用时舷侧活动舱板上方的负压如何使舷侧活动舱板上方和后面的水面下降，还参见此文献中的图7B。舷侧活动舱板的目的是，防止船的船头区域前面的水面上涨，即，在船头区域的位置不形成波峰或波谷。这通过将舷侧活动舱板布置在船头的下梢来实现，从而在舷侧活动舱板的背面产生强负压区域。

而且，舷侧活动舱板的目的是用作如JP 1-314686的图5b所示的引导舷侧活动舱板(用参考数字8标记)。如可从JP 1-314686的图5a中看到的，当将风吹入弯曲风洞11在流动方向上产生大变化时，使流分离。然而，由于JP 1-314686的图5b所示的引导舷侧活动舱板8的效果的原因，而减小或防止流隔离。因此，总流阻减小。要求根据JP 1-314686的舷侧活动舱板的效果与风洞中的引导舷侧活动舱板完全相同。

注意，所有如JP 1-314686中画出的安装至船的舷侧活动舱板都将产生大量旋涡湍流，在航空领域中叫做“翼梢旋涡”。由于船翼(或机翼)的顶面和下侧处的压力差而产生旋涡。船翼的下侧处的压力试图补偿船翼的顶面处的负压。在图8A、图8B和图8C(分别是从上面、从侧面和从前面看的船翼)中用弯曲箭头举例说明了这种旋涡。由于这种旋涡而产生的增加的拖曳会是明显的，并且随着船翼的顶面和底面之间的压力差而增加。使由旋涡引起的水颗粒的速度向量在舷侧活动舱板的后缘处在船的行进方向上围绕轴线旋转大约90度，并且该速度向量对船的总阻力不利。

因此，根据JP 1-314686的舷侧活动舱板将无助于减小整个流的阻力。

引起旋涡的翼

专利公布JP S60 42187A公开了一种船的船头前面的翼设备，其试图通过有意产生与由船的船头产生的破波旋涡反作用的翼端旋涡来减小破波浪阻力。

当船向前行进时，船头周围的水的压力增加，产生头波。如果此头波的波峰向前瓦解，那么其将产生破波旋涡。在专利公布JP S60 42187A中公开的解决方案中，此在船头引起的破波旋涡被翼端旋涡抵消，该翼端旋涡带有由布置在吃水线附近的翼在水中产生的相反的旋转方向。进一步，翼抑制了船头前面的水面的升高，使得减少船头破波的出现。所要求的结果是明显减小破波浪阻力。

关于翼端旋涡的产生，参考图8A、图8B和图8C，以及本文献中前面的描述。

JP S60 42187A描述了具有与以上已经描述的效果相同的效果的第四实施例(参见JP S60 42187A的图14和图15)，除了如何抑制头波以外。在第四实施例中，这样布置翼体，使得流向翼的水改变方向，从而产生与船舶的头波反相的波。要求产生的波具有大幅减小的高度。另外，还将此翼设计为用于产生与由船产生的破波旋涡反相的旋涡。

因此，翼的目的是从船的船头区域减小破波浪阻力。

从图1中显而易见的是，破波浪阻力[C_WB]构成船的波浪阻力[C_W]的小部分。波型阻力[C_WP]对波浪阻力[C_W]的贡献更大。

发明内容

本发明的目的是，开发一种在较宽速度范围上减小船对前进运动的阻力的前部。而且，本发明可改进船的适于远航的特性，还允许设计与传统的船相比具有更大宽度和更短长度的船。通过根据本发明所述的船来实现上述目的。在具体实施方式中描述了进一步的有利特征。

特别地，本发明包括一种船，其包括船体和一个(或多个)主体，船体带有船头区域(将其定义为当船静止不动且浮在水体中时在前面从水面下方看的船体的区域)，主体布置在船头区域附近，例如位于船头区域的上游。注意，表达方式“静止不动”不应严格地解释，而是包括来自例如诸如水流、风等的环境力的小运动。主体包括一个(或多个)前缘、一个(或多个)位于前缘下游的后缘、一个(或多个)下侧及一个(或多个)顶面。主体的顶面包括一个(或多个)前顶面，从前面看，前顶面从主体的前缘延伸至主体的一条(或多条)外轮廓线。作为附加标准，可通过画出通过交点的线来找到该轮廓线，在交点处，顶面在船的行进方向上的切线是水平的。当船(其无有效载荷且没有压舱物)静止不动且浮在水体中时，从前面看，主体的最高点位于比船的最深吃水深度的一半高的地方。注意，表达方式“主体的最高点”也可覆盖在顶面上存在几个最高点和/或存在一个或多个最高平部的情况。当船自己的燃料箱和润滑油箱是空的时，将测量无有效载荷且没有压舱物的船的最深吃水深度。最深吃水深度由船可不触底航行的水的最小深度定义。优选地，从前面看，主体的最高点位于比至少一个船的装载状态中的船的最深吃水深度的一半高的地方。更优选地，从前面看，主体的最高点位于比在至少一个装载状态中测量的船的最深吃水深度的2/3高的地方，更有利地，比至少一个装载状态中的船的最深吃水深度的5/6高的地方，甚至更有利地，比至少一个装载状态中的船的最深吃水深度的8/9高的地方，例如处于平静吃水线处或其附近。

将至少一个船的装载状态中的主体在船的行进方向上的竖直截面和主体在船体的横向方向上的范围进一步设计为，以一定的船速在主体的顶面上转移迎面而来的水体，该船速等于或大于定义为船的最低速度的更低的设计速度，在该最低速度下，主要沿着船的行进方向在竖直平面中转移的迎面而来的水体，在主体的前顶面上获得本质上层状的流，优选地是在主体的整个前顶面上，更优选地是在主体的整个顶面上，并且其中，主体的顶面的构造使在轮廓线下游的重力场中下降或通过该重力场下降的迎面而来的水体加速，使得迎面而来的水体在主体的后缘处获得速度和方向，该方向引导水体远离船头区域，或大体与船头区域平行，或是其组合。因此，船头区域本身将最不可能转移迎面而来的水体，这导致减小来自船头区域的波浪阻力或者没有来自船头区域的波浪阻力，并且减小对于船的波浪阻力。就这里减小的波浪阻力而言，意思是与来自具有传统船头设计的船的波浪阻力相比是减小的。注意，本文献中的术语下游/上游参照的是水体在所述位置中的流线。

在一个有利的实施例中，进一步这样构造主体的顶面，使得迎面而来的水体在轮廓线的下游获得这样的方向，其引导迎面而来的水体远离船头区域，或本质上与船头区域平行，或是其组合。注意，表达方式“本质上与船头区域平行”意味着，在船头区域转移的事件中，位于主体的顶面上的整个水体相对于流线以小于25度的迎角转移，该流线是如果已经移除船头区域则水体所曾具有的流线，更有利地是以小于15度的迎角转移，甚至更有利地是以小于10度的迎角转移，例如精确地平行转移。

在另一有利的实施例中，所述加速包括在轮廓线上游的重力场中提起迎面而来的水体。

在另一有利的实施例中，从上面看，主体的前缘伸出至主体的最大宽度。

在另一有利的实施例中，主体的前缘位于船头区域的上游。

在另一有利的实施例中，这样布置主体，使得当船静止不动且浮在水体中时，在至少一个船的装载状态中，主体的前缘位于水面下方或位于水面处。这里的词语“在…处”不应严格地解释，而是应允许前缘在水面上方稍微伸出。

在另一有利的实施例中，这样布置主体，使得，从前面看，主体的最高点位于比当无有效载荷且没有压舱物的船静止不动且浮在水体中时从船的最低点测算的船的最深吃水深度的3/4高的地方。例如，主体的最高点位于水面处或位于比水面高的地方。注意，船的最深吃水深度可由船的船舵、螺旋桨、主体或船的另一部分决定。

在另一有利的实施例中，在至少一个船的装载状态中，这样定位主体的轮廓线及其前缘，使得在等于或大于更低的设计速度的船速下，在水面上方提起大于20％的迎面而来的水体。

在另一有利的实施例中，在一个竖直截面中看，主体的后缘是尖的或几乎是尖的，或者具有任何其他在主体的顶面和下侧之间产生显著边界的形状。术语“尖的”在这里不应严格地解释，而是也应允许稍微钝的或圆形的形状。“尖的”另一定义也可以是，这样构造主体的后缘的形状，使得在水体离开主体的区域中不产生湍流或不太可能产生湍流。“尖的”另一定义可以是，在竖直截面中，主体的后缘具有的最大厚度小于主体的最大厚度的5％，例如小于3％。或者，在一个竖直截面中看，主体的后缘可具有与水翼的后缘相同的或几乎相同的形状，例如类似在专利公布US 6,467,422B1或GB 992375A或JPH0656067A或US 4,335,671A中举例说明的一个或多个水翼的后缘。所有这些专利公布通过引证的方式而包括于此。

在另一有利的实施例中，这样构造至少一个船的装载状态中的主体在船的行进方向上的竖直截面和主体在船体的横向方向上的范围，使得在一速度下在船体下方引导大于20％的迎面而来的水体在主体的顶面上通过，该速度等于或大于更低的设计速度，更有利地大于30％，甚至更有利地大于40％，甚至更有利地大于50％，甚至更有利地大于60％，甚至更有利地大于70％，甚至更有利地大于80％，甚至更有利地大于90％，例如100％。表达方式“船体下方”表示，当从前面看船时，在船的行进方向上的两个竖直平面之间的船体的下方，并且在水面处该两个竖直平面以对应于船头区域的最大宽度的距离隔开。船的行进方向上的竖直截面构造的一个示例是，调节主体后缘的位置，直到获得预期的速度向量为止。这可通过改变主体的冲角来实现。

在另一有利的实施例中，将主体布置在离船头区域一定距离处，使得在主体和船头区域之间形成至少一个通道。

在另一有利的实施例中，将主体的后缘布置在离船头区域一定距离处，使得在至少一个船的装载状态中，当船速等于或大于更低的设计速度时，防止在船体下方引导的迎面而来的水体的一部分上升。注意，后缘离船头区域的距离可以是在水平面中或是在竖直面中或是其组合。进一步注意，表达方式“防止迎面而来的水体上升”的目的是表示由船体压住此水体，使得船体本质上防止或减少蔓延到周围水体的波的产生。

在另一有利的实施例中，从前面看，主体的最大横向范围(B)除以主体的最大高度(H)大于1.5，但是优选地小于8.0，例如4.0。

在另一有利的实施例中，从前面看，主体的区域构成大于船的最大吃水深度下船头区域的20％，更有利地大于30％，甚至更有利地在40％和100％之间，例如50％。从前面看，可将主体的面积计算为i)主体的最大横截面面积，或者优选地ii)也考虑主体的纵倾。

在另一有利的实施例中，当船处于中性纵倾且装有10％的其最大有效载荷时，主体在船的行进方向上的竖直截面在竖直平面中具有的最大范围构成船体的吃水深度的至少40％，更有利地是船体吃水深度的至少50％，甚至更有利地是至少60％，甚至更有利地是至少70％，例如船体吃水深度的75％。就竖直平面中的最大范围而言，表示主体在船的行进方向上沿着竖直截面的最高点减去其最低点。

在另一有利的实施例中，从前面看，主体具有至少是船体的最大宽度的3/8的最大横向范围，从前面看，更有利地是船体的最大宽度的至少5/8，甚至更有利地是船体的最大宽度的至少7/8，例如，是船体的整个最大宽度。

在另一有利的实施例中，主体的顶面包括至少一个构成大于10％的顶面的凸出部分，更有利地是大于20％的顶面。

在另一有利的实施例中，在沿着船的行进方向的竖直截面中看，主体的下侧是直的。或者，主体的下侧可构造为具有至少一个凸出部分或至少一个凹入部分，或是其组合。

在另一有利的实施例中，主体在船的行进方向上形成不对称的剖面。

在另一有利的实施例中，轮廓线下游的主体的顶面具有这样的构造，在至少一个船的装载状态中，处于或高于更低的设计速度，该构造导致在迎面而来的水体接触船体之前，使在主体的顶面上通过的迎面而来的水体下降或低于主体的前缘的高度位置。

在另一有利的实施例中，从上面看，主体的前缘具有直的形状或弯曲的形状，或是其组合。

在另一有利的实施例中，从上面看，主体的后缘具有直的形状或弯曲的形状，或是其组合。

在另一有利的实施例中，将至少一个船的装载状态中的主体在船的行进方向上的竖直截面和主体在船体的横向方向上的范围设计为，在大于或等于更低的设计速度的船速下，引导由主体的位移引起的提起的水体的大部分(即，大于50％)在主体的前顶面上通过。因此，对在主体的前顶面上引导的提起的水体的比例供应势能，可在顶面轮廓线的下游使用该势能以使水体在主体的后缘处的速度增加。注意，增加的速度在这里表示比如果尚未将水体在水面上方提起时更高的速度。提起的水体的所述比例可以更有利地构成超过60％，甚至更有利地超过70％，例如80％。

在另一有利的实施例中，从前面看，在至少一个船的装载状态中的主体的区域构成船头区域的部分的超过20％，船头区域的该部分位于船的行进方向上的两个竖直平面之间并在主体的后面，并且以对应于主体的最大宽度的距离隔开。更有利地，所述表面区域构成超过30％，甚至更有利地超过40％，甚至更有利地超过50％，甚至更有利地超过60％，甚至更有利地超过70％，甚至更有利地超过80％，例如90％。

在另一有利的实施例中，这样选择主体的横向范围及其相对于水面的位置，使得在至少一个船的装载状态中，使在等于或大于更低的设计速度的船速下，在主体的顶面上通过的迎面而来的水体的大部分(即，超过50％)与周围的水体隔离。此类型的隔离结果将使所隔离的水体可以被加速而没有明显压降和在周围水体中产生波。与周围水体隔离的迎面而来的水体的所述比例有利地可构成超过60％，甚至更有利地超过70％，甚至更有利地超过80％，例如100％。

在另一有利的实施例中，在至少一个船的装载状态中，将主体的下侧的形状和/或角度构造为，在等于或大于更低的设计速度的船速下，提供动升力，使得主体获得与当船静止不动且浮在水体中时相比不变的或几乎不变的浮力。

在另一有利的实施例中，在至少一个装载状态中，主体相对于水面的竖直位置是这样的，使得沿着船的行进方向测量且与主体的弦线成90度的在主体的最大厚度下游的主体顶面处迎面而来的水体，在等于或大于更低的设计速度的船速下，获得本质上不变的或增加的速度。

在另一有利的实施例中，主体相对于水面的竖直位置是这样的，使得迎面而来的水体中的压力在外轮廓线下游的顶面上方本质上是不变的(在等于或大于更低的设计速度的船速下)。

在另一有利的实施例中，从前面看，主体的横截面区域的高度在主体的横向方向上朝向周缘减小，使得在主体下侧累积的压力和在主体顶面累积的压力本质上在主体周缘处相等，从而抑制旋涡的产生。

在另一有利的实施例中，主体的每个横向侧处的周缘包括沿着船的行进方向在主体的大部分(即，超过50％)上延伸的板，这样设计板的几何形状，使得主体下侧处的压力对主体顶面处的压力没有影响或没有明显影响，从而抑制旋涡的产生。或者，板可在主体的大部分上遵循主体周缘的曲率，或是其组合。板可竖直地指向，即，主要部件在竖直方向上。术语“竖直的”在这里定义为，在已将主体定位在船的船头区域处之后与主体的横向方向垂直的方向。

在另一实施例中，主体包含在船头区域中。

在另一实施例中，主体构造为具有当在船的行进方向上看时朝向主体的前缘和/或主体的后缘的锥形截面，穿过主体的横向范围的至少20％，优选地穿过主体的横向范围的至少30％，更优选地至少40％，例如100％。

在另一实施例中，主体上已经安装至少一个船翼，其在至少一个船的装载状态中，在等于或大于更低的设计速度的船速下，提供动升力，使得主体获得与当船静止不动且浮在水体中时相比不变的或几乎不变的浮力。

在另一实施例中，在沿着船的行进方向的竖直截面中看，主体的顶面包括至少一个凸出部分和至少一个凹入部分。

在另一实施例中，主体构造为使得，在至少一个船的装载状态中，以更低的设计速度或高于更低的设计速度，从主体下侧的水加速度产生的负压在主体的后缘处由从主体的顶面迎面而来的水体完全抵消或大幅度抵消。

在另一实施例中，在至少一个船的装载状态中以更低的设计速度或高于更低的设计速度在主体的顶面上引导的迎面而来的水体，在主体的后缘处形成急流(supercriticalflow)。

在另一实施例中，将主体前部的形状构造为，使得其仅在主体的上游以高于更低的设计速度稍微形成压力波。

在另一实施例中，将主体的形状构造为，使得在至少一个船的装载状态中，以更低的设计速度或高于更低的设计速度，沿着船的宽度的20％-100％在主体的后缘处形成驻波波谷，更有利地30％-100％，甚至更有利地超过40％，甚至更有利地超过60％，例如100％。在另一实施例中，主体的最低点位于水面下方的一定距离处，对应于在至少一个船的装载状态中船体的最深吃水深度的2/3和3/2之间，例如无有效载荷且没有压舱物。

在另一实施例中，主体在船的行进方向上在主体长度的至少20％上在横向方向上朝向主体周缘向外形成有锥形横截面，例如在主体长度的至少50％上。

更低的设计速度的一个另选定义是，迎面而来的水体的流动特性随着增加的速度而在主体的前顶面处从本质上湍流改变成本质上层流的速度；分别参见图20A和图20B。

更低的设计速度的另一另选定义是，主体的前顶面上方的迎面而来的水体的平均速度不明显低于船速的速度；参见图20B。在图20A中，主体的前顶面的所述平均速度明显更低。

更低的设计速度的另一另选定义是，迎面而来的水体的平均速度从明显更低(参见图20A)改变成与主体的前顶面处的船速大约相同(参见图20B)的速度。

更低的设计速度的另一另选定义是，船的能耗经历明显下降的船速。这里，参考来自图2中的曲线图中给出的模型试验的结果，其中，估计试验B中的模型船经历明显的下降，以大约0.99m/s的速度阻碍前进运动。此估计以流型的变化的目测观察为基础，该流型的变化类似于如图20A和图20B所示的流型的变化，并且试验B中的此变化只在低于1.00m/s时出现。

注意，可通过许多测量技术来观察并确定主体和/或船体周围的任何流体流型(即，流体流动方向和/或流体速度)。这种测量技术的示例是，在通过主体和船体的水中使用着色剂，和/或使用附接至主体和/或附接至船体的重量轻的线状物(如在帆船航行中使用的)。这些测量技术可用流体流动数据模拟补充，或由其代替。

本发明的一般操作模式

本发明包括流线型体，其在至少一个装载状态中当船静止不动时完全地或部分地浸入水体中，该流线型体定位在后面的船体(hull behind)的前面，主体与后面的船体相互作用。这样形成并定位主体，使得其本质上在竖直平面中转移迎面而来的水体，然后在后面的船体的侧面的下面引导水体和/或朝向侧面向外引导水体，使得位于主体后面的船体本身最小可能的程度地转移迎面而来的水体。

由此实现上述目的，即，船通过以下方式在较宽的速度范围上减小其对前进运动的阻力：

1)减小的波浪阻力；和/或

2)减小的或消除的飞溅和破波浪阻力。

另外，改进船的适于远航的特性。

在图9A和图9B的帮助下，在此部分的剩余部分中说明对于在船体下方引导迎面而来的水体的特殊实施例来说本发明的一般操作方式，及主体和船体之间的相互作用。用虚线示出水面的位置。

本发明减小了当船以高于上述更低的设计速度工作时对船的前进运动的阻力。高于更低的设计速度，本发明通过将宽流线型体定位在船体前面，而导致沿着船体的宽度的大部分形成波谷。波谷的底部本质上由主体的所定义的后缘决定。

通过在主体的前缘上方转移大比例的迎面而来的水体来产生波谷，使该大比例的迎面而来的水体在主体的弯曲顶面上加速。提起整个水体或部分水体，优选地高于水面。在主体的后顶面处，使水体在重力场中下降，并且水体在主体的后缘处获得相对于船增加的相对速度。由于主体的顶面上的水体在主体的后缘处具有增加的相对速度，所以水体在竖直平面中的范围将下降。这与水体在主体的后缘处的速度向量一起形成波谷。

由于主体的剖面及其横向范围的原因，(由于主体的迎面而来的水体的位移的原因)在主体前面提起的水体的大部分，将在主体的顶面上被引导，而不是作为波浪逃脱至周围的水体。使在主体的顶面上被引导的整个水体加速，并且，该水体将加速至与周围的水体隔离的较大程度。因此，迎面而来的水的位移及主体的顶面处的水流速度的变化仅导致周围水体中的波浪较小程度地超过在主体后面产生的预期波谷。

将主体的下侧的形状和/或角度构造为，使整个重量或部分重量与在主体的顶面上通过的水体平衡，使得前部在高速时最小可能程度地经历吃水深度的变化。

船体船头区域位于在主体的后缘处产生的波谷中，使得船头区域本身不转移由主体转移的水体。船头区域在高速时保持干燥或基本上干燥。进一步，船的船体防止主体产生的波谷上升，从而防止波谷在周围的水体中作为波浪而进一步蔓延。

在主体上施加的力以形成波谷，从而以引导迎面而来的水体远离船头区域，这将对船产生阻力。然而，情况是，适当设计的主体将在船上施加的阻力比在传统设计的船上施加的波浪阻力小。

在波浪高速的同时，主体通过抵消船的纵摇运动而用作稳定器。迎面而来的波浪将通过主体的顶面而较大程度地变平并在船头区域下方被引导，而不会导致撞上船头区域。主体顶面上的波峰的重量将试图使船下沉，因此波峰将不会以与传统船头相同的方式导致位移浮力。类似地，波谷将减小主体顶面处的水体的重量。

主体还将能够利用部分势能，该部分势能是当在主体的后顶面处在重力场下波峰下降时迎面而来的波峰对于前进运动所代表的势能，或者作为在船的船体下方引导的水体的增加的速度。

由于改进船的适于远航的特性，所以波浪将更小程度地限制船在波浪中的速度。

为了帮助理解所涉及的物理现象及本发明如何工作，应注意，和本发明中的情况一样，通过位于水面附近的船翼的顶面的水体的速度分布将从根本上与位于水面下方更深处的相同船翼不同。图6A和图6B可帮助举例说明这一点。在图6A中，示出了在具有与图5A所示的船翼本质上相同的形状的剖面上方的空气中滚动的球。该球在位置1处和位置2处的剖面的“前缘”处具有初始速度V₀。由于重力的原因，使速度逐渐减小，直到球在位置3处的主体剖面的最厚部分处达到最小速度V_min为止。从位置3开始，经由剖面的后顶面处的位置4，到位置5，球的速度增加，直到已经在位置5处恢复初始速度V₀为止。图6B通过图表举例说明了球在位置1到5处的速度V。当将图6B与图5B(充分浸没的船翼)进行比较时，可以看到两个示例的速度分布从根本上是不同的。

图7A、图7B和图7C示意性地举例说明了在双线箭头的方向上以初始速度V₀在船翼上流过的水体的流线。在图中标示直的水面5。

-在图7A中，使主体浸没在水面下方较深处。因此船翼产生升力，并且通过船翼顶侧的水体的速度从船翼剖面的最厚部分朝向船翼的后缘减小。

-在图7B中，使主体浸没在水面下方的中间位置处。船翼仍产生升力，并且通过船翼顶侧的水体的速度仍从船翼剖面的最厚部分朝向船翼的后缘减小。因此船翼的顶侧处的负压在水面产生波谷，如图所示。

-在图7C中，主体位于水面或接近水面。通过船翼顶面的此布置，不产生升力，并且通过船翼顶侧的水体的速度从船翼剖面的最厚部分朝向船翼的后缘增加，其中，水体可能在后缘形成急流。

与现有技术的差异

参考以上描述，本发明与现有技术的差异在于以下领域：

球形船首

1.将球形船首设计为在周围的水体中产生波，其以设定速度与船体的波系统尽可能地反相。然而本发明高于船的更低的设计速度，设计为在船体宽度的大部分中产生驻波波谷，而与船速无关，并且其中，这样定位船体船头区域，使得船头区域本身转移尽可能少的水。

2.球形船首在较窄的速度范围内工作，而本发明在较宽的速度范围上工作。

3.球形船首实际上仅以由球形船首和后面的船体之间的距离决定的更低的速度工作，而本发明还以更高的速度起作用，主体不进一步向前移动。

4.对于带有球形船首的船来说，其本质上是船的由于从前面看的球形船首的有限区域而转移迎面而来的水体的船头区域，而在本发明的情况中，其是转移所有或大部分迎面而来的水体并使其远离船头区域的主体。

5.球形船首将在水平面中转移与竖直平面中大约同样大的水体，同时根据本发明的主体本质上在竖直平面中转移水体，因为从前面看，主体具有明显比球形船首大的宽度/高度比。

6.球形船首没有限定的后缘，与主体不同，主体具有限定的后缘。

7.与本发明不同，球形船首不设计为在其后缘对在其顶面上通过的水颗粒赋予引导水颗粒远离船头区域和/或本质上与船头区域平行的速度和方向，使得船头区域本身转移尽可能少的水。

产生波的薄板(US 4,003,325)

1.根据US 4,003,325的薄板构造为，在周围的水体中以设定速度产生波，该波与船体的船头区域波尽可能反相。另一方面，本发明高于船的更低的设计速度，设计为在船体宽度的大部分中产生驻波波谷，与船速无关，其中，这样定位船体船头区域，使得船头区域本身转移尽可能少的水。

2.根据US 4,003,325的薄板在较窄的速度范围内工作，而本发明在较宽的速度范围上工作。

3.根据US 4,003,325的薄板实际上仅以由薄板的前缘和后面的船体之间的距离决定的更低的速度工作，而本发明还以更高的速度起作用，主体不进一步向前移动。

4.对于配备根据US 4,003,325的薄板的船来说，其本质上将是船的由于从前面看的薄板的有限区域而转移迎面而来的水体的船头区域；参见US 4,003,325所带有的附图5，而在本发明的情况中，其是转移所有或大部分迎面而来的水体并使其远离船头区域的主体。

5.根据US 4,003,325的薄板具有直的/平面的顶面。因此板的直的/平面的顶面将不会使在薄板的顶面上通过的水体加速。另一方面，根据本发明的主体将具有构造为使在主体顶面上通过的水加速的顶面。

6.从前面看，根据US 4,003,325的薄板的最高点位于比当无有效载荷且没有压舱物的船静止不动且浮在水体中时船的最深吃水深度的一半低的地方。

7.根据US 4,003,325的板的直的/平面的顶面仅可非常有限程度地控制在其顶面上通过的水体，而另一方面，主体的顶面的主要目的是构造为使得控制主体顶面上的水体并且使其在主体的后缘具有预期的速度向量。

8.与本发明不同，根据US 4,003,325的薄板不构造为使得其顶面使通过顶面的水颗粒加速，以在其后缘对水颗粒赋予引导水颗粒远离船头区域和/或本质上与船头区域平行的速度和方向，从而使得船头区域本身转移尽可能少的水。

翼型形状的凸缘(JPS58-43593U)：

1.根据JPS58-43593U的翼型形状的凸缘试图通过使形成头波的水体在翼型的顶面处具有增加的速度，来减小已经由船的船头区域形成的头波的高度。另一方面，根据本发明的主体构造为对其后缘处的水体赋予引导水体远离船头区域和/或在水体接触船头区域之前本质上与船头区域平行的速度和方向，使得船头区域本身转移尽可能少的水。

2.JPS58-43593U中的描述使用术语“翼型形状的凸缘”，其意味着翼型的尺寸是有限的。根据JPS58-43593U，主要是船的船头区域转移迎面而来的水体，并且翼型形状的凸缘仅转移少量的船必须转移的迎面而来的水体；参见JPS58-43593U所带有的附图3。另一方面，在本发明的情况中，主体转移所有或大部分迎面而来的水体并使其远离船头区域。

3.翼型形状的凸缘的顶面具有从前面看位于船头区域附近的外轮廓线；参见JPS58-43593U所带有的附图3和附图1。因此，与本发明相反，在凸缘的顶面上方通过的水体在此轮廓线下游无法重力场中降低。

4.根据JPS58-43593U，翼型形状的凸缘的顶面不构造为使得在顶面上方通过的迎面而来的水体在轮廓线下游获得引导水体远离船头区域和/或本质上与船头区域平行的方向，与本发明的至少一个实施例不同。

5.根据JPS58-43593U，翼型形状的凸缘的前缘明确地延伸到凸缘的最大宽度。因此，翼型形状的凸缘没有限定的后缘。

提升船翼(例如US 7,191,725 B2)：

1.US 7,191,725 B2中的解决方案描述了构造为产生升力的主体(提升主体)。根据本发明的主体的目的不是产生升力，而是防止在船头区域形成波。

2.US 7,191,725 B2中的解决方案产生在高速时减小船的吃水深度的升力，使得减小船的总阻力。根据本发明的主体不构造为在高速时减小船的吃水深度，以由此减小船的总阻力。

3.对于带有根据US 7,191,725 B2的提升主体的船来说，主要是船的船头区域由于从前面看提升主体的有限区域及其相对于船头区域的位置而转移迎面而来的水体，而在本发明的情况中，是主体转移大量的迎面而来的水体并使其远离船头区域。

4.根据US 7,191,725 B2，从前面看，提升主体的最高点位于比当无有效载荷且没有压舱物的船静止不动且浮在水体中时船的最深吃水深度的一半低的地方，与根据本发明的主体不同。

5.根据US 7,191,725 B2的提升主体，与本发明不同，不构造为在其后缘对在其顶面上通过的水颗粒赋予引导水颗粒远离船头区域和/或本质上与船头区域平行的速度和方向，使得船头区域本身转移尽可能少的水。

6.根据US 7,191,725 B2的提升主体的顶面处的水体在其后顶面上方将具有减小的速度，参见图7A和图7B。根据本发明的主体的顶面处的水体在其后顶面上方将具有增加的速度，参见图7C。

翼板(JP 1-314686)：

1.根据JP 1-314686的翼板位于水面下方足够深度处，以在翼板的背面获得强负压的区域。这与本发明相反，在本发明中，主体的顶面相对于水面位于足够高的地方，以避免在主体的顶面产生大量负压。

2.将根据JP 1-314686的翼板设计并定位为在水体中产生强烈负压，其应与由船体的船头区域产生的过压相等(即，不产生波峰且不产生波谷)。相反，超过船的更低的设计速度，根据本发明的主体设计为在船体宽度的大部分中产生驻波波谷，而与船速无关，其中，这样定位船头区域，使得船头区域本身转移尽可能少的水。

3.将根据JP 1-314686的翼板定位在比当无有效载荷且没有压舱物的船静止不动且浮在水体中时船的最深吃水深度的一半低的地方，与根据本发明的主体不同。

4.对于带有根据JP 1-314686的翼板的船来说，本质上是船的船头区域由于从前面看翼板的有限区域而转移迎面而来的水体。而在本发明的情况中，是主体转移所有或大部分迎面而来的水体并使其远离船头区域。

5.根据JP 1-314686的翼板将产生大量旋涡。以这样的方式设计并布置根据本发明的主体，使得不产生旋涡或最小可能程度地产生旋涡。

6.与本发明相反，根据JP 1-314686的翼板不设计为在其后缘对在其顶面上通过的水颗粒赋予引导水颗粒远离船头区域和/或基本上与船头区域平行的速度和方向(也参考JP 1-314686所产生的旋涡)，使得船头区域本身转移尽可能少的水。

7.根据JP 1-314686的翼板的顶面处的水体在其后顶面上方将具有减小的速度，参见图7B。根据本发明的主体的顶面处的水体在其后顶面上方将具有增加的速度，参见图7C。

引起旋涡的翼(JP S60 42187A)：

1.根据JP S60 42187A中的解决方案的翼设计为，产生具有与由船的船头产生的破波旋涡相反的旋转方向的旋涡。另一方面，将本发明的主体设计并布置为防止旋涡的产生。

2.将解决方案JP S60 42187A设计为减小来自船的船头区域的破波浪阻力[CWB]。另一方面，本发明设计为减小船的波型阻力[CWP]、破波浪阻力[CWB]和飞溅阻力[CS](参见图1)。

3.对于JP S60 42187A中公开的解决方案来说，主要是船的船头区域由于从前面看翼的区域是非常有限的而转移迎面而来的水体(参见JP S6042187A的图5至图14)，而在本发明的情况中，是主体转移所有或大部分迎面而来的水体并使其远离船头区域。

4.与本发明相反，JP S60 42187A中公开的翼不设计为在其后缘对在其顶面上通过的水颗粒赋予引导水颗粒远离船头区域和/或基本上与船头区域平行的速度和方向，使得船头区域本身转移尽可能少的水(也参考JP S60 42187A所产生的旋涡)。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是指示作为弗劳德数[F_N]的函数的不同阻力系数的曲线图，弗劳德数对在水体表面移动的典型的现有技术的船起作用；

图2是作为模型试验的速度的函数、指示对前进运动的阻力的曲线图，该模型试验使用：

A：带有根据现有技术的传统船头的船；

B：带有根据本发明的第三实施例的没有V形楔的修改的船头的船；以及

C：带有根据本发明的第七实施例的没有V形楔的修改的船头的船；

图3A是带有根据现有技术的球形船首的船的侧视图，该船以设计速度工作；

图3B是根据图3A的船的侧视图，该船以高于设计速度的速度工作；

图4A、图4B和图4C是带有不同球形船首形状的现有技术的船的前视图，示出了球形船首形状如何转移迎面而来的水体；

图5A是船翼剖面的实例，示出了当完全浸入时和当水体在双线箭头的方向上以初始速度V₀朝向船翼流动并越过船翼时在船翼顶面上方的典型负压分布；

图5B是说明了通过船翼剖面的顶面的水体的对应速度分布的曲线图，其具有如图5A所示的负压分布；

图6A是示出了在具有与图5A所示的船翼剖面类似的剖面上方的空气中滚动的球的速度向量的实例；

图6B是举例说明了图6A所示的在空气中滚动的球在沿着剖面的不同位置处的速度的曲线图；

图7A、图7B和图7C示出了具有相同迎角的主体，和当主体处于水面下方不同深度处时在双线箭头的方向上产生的流向主体并高于主体的水的流型。图7A示出了当主体位于水面下方较深处时的流型。图7B示出了当主体处于中间深度处时的流型，并且图7C示出了当主体靠近水面或处于水面时的流型；

图8A、图8B和图8C分别示出了从上面看、从侧面看和从前面看的船翼。水体在双线箭头的方向上流向船翼。弯曲箭头举例说明了在船翼的每侧产生的旋涡；

图9A是根据本发明的主体的示意性竖直纵向截面，并且示出了当船以高于更低的设计速度在水体中移动时仅由主体产生的波；

图9B示意性地示出了当船以高于更低的设计速度在水体中移动时根据本发明的主体和船体之间的相互作用；

图10A、图10B、图10C和图10D示出了根据本发明的第一实施例的船的前部，其中，图10A是前部的顶视图，图10B是前部的竖直纵向截面，图10C是前部的前视图，并且图10D是前部的底视图；

图11A、图11B、图11C和图11D示出了根据本发明的第二实施例的船的前部，其中，图11A是前部的顶视图，图11B是前部的侧视面，图11C是前部的前视图，并且图11D是前部的底视图；

图12A、图12B、图12C和图12D示出了根据本发明的第三实施例的船的前部，其中，图12A是前部的顶视图，图12B是前部的侧视面，图12C是前部的前视图，并且图12D是前部的底视图；

图13A、图13B和图13C示出了根据本发明的第一实施例(也如图10A至图10D所示)的船的前部，这些图更大程度地说明了本发明的操作模式，其中，图13A是前部的顶视图，图13B是前部的竖直纵向截面，并且图13C是前部的前视图；

图14A、图14B、图14C和图14D示出了根据本发明的第二实施例(也如图11A至图11D所示)的船的前部，这些图更大程度地说明了本发明的操作模式，其中，图14A是前部的顶视图，图14B是前部的侧视图，图14C是前部的前视图，并且图14D是前部的底视图；

图15A、图15B、图15C和图15D示出了根据本发明的第三实施例(也如图12A至图12D所示)的船的前部，这些图更大程度地说明了本发明的操作模式，其中，图15A是前部的顶视图，图15B是前部的侧视图，图15C是前部的前视图，并且图15D是前部的底视图；

图16A示出了从尾部以一定角度看在模型试验中使用的模型船的照片，其带有根据现有技术的传统船头；

图16B示出了图16A中的模型船的前视图的照片；

图16C示出了图16A中的模型船的前斜视图的照片；

图17A示出了模型船的前视图的照片，其中，船头部分已由根据本发明的第七实施例的修改的船头代替；

图17B是图17A中的模型船的前斜视图的照片；

图18A是模型船的前视图的照片，其中，船头部分已由根据本发明的第三实施例的带有V形楔的修改的船头代替；

图18B是图18A中的模型船的前斜视图的照片；

图19A是如图16A至图16C所示的具有根据现有技术的传统船头的模型船的照片，并且其中，所测速度是1.25m/s；

图19B是如图18A和图18B所示的模型船具有根据本发明的第三实施例的修改的船头的照片，但是没有V形楔，并且其中，所测速度是1.25m/s。

图19C是如图18A和图18B所示的模型船具有根据本发明的第三实施例的修改的船头的照片，但是没有V形楔，并且其中，所测速度是1.34m/s。

图20A和图20B是如图18A和图18B所示的带有根据本发明的第三实施例的修改的船头的模型船的船头部分的照片，但是没有V形楔，分别以低于和高于模型船的更低设计速度的速度；

图21A、图21B、图21C和图21D示出了根据本发明的第四实施例的船的前部，其中，图21A是前部的顶视图，图21B是前部的侧视图，图21C是前部的前视图，并且图21D是前部的底视图；

图22A、图22B、图22C和图22D示出了根据本发明的第五实施例的船的前部，其中，图22A是前部的顶视图，图22B是前部的侧视图，图22C是前部的前视图，并且图22D是前部的底视图；

图23A、图23B、图23C和图23D示出了根据本发明的第六实施例的船的前部，其中，图23A是前部的顶视图，图23B是前部的侧视图，图23C是前部的前视图，并且图23D是前部的底视图；

图24A、图24B、图24C和图24D示出了根据本发明的第七实施例的船的前部，其中，图24A是前部的顶视图，图24B是前部的侧视图，图24C是前部的前视图，并且图24D是前部的底视图；

图25A和图25B是根据本发明的船的前部的侧视图，其中，主体的后缘分别位于比船体底部更高的地方和比船体底部更深的地方；

图26A、图26B、图26C、图26D、图26E和图26F示出了如何根据本发明形成主体的竖直纵向截面的不同构造，图26E示出了两个主体的示例，其中一个主体位于另一个主体的上方，并且图26F示出了包括两个部分的主体；

图27A、图27B、图27C、图27D和图27E是根据本发明的不同实施例的竖直纵向截面，并且示出了如何改变主体的动升力，其中，图27B、图27C和图27D示出了如何通过襟翼/控制表面来改变主体的后缘处的流动；以及

图28A、图28B、图28C、图28D、图28E、图28F、图28G、图28H、图28I和图28J是根据本发明的示出了构造主体的如何不同构造的顶视图。

具体实施方式

定义

在本文档中，以下定义将适用：

船1：

所有排水型船和以计划速度工作的船。

船体2：

船1的在高速时与水接触或者可与水接触并且使船适航的部分，但是不包括根据本发明的主体4或者用于传统的船1的球形船首等。

船头区域3：

当船1浮在水体中时从前面看位于水面5下方的船体2的区域，但是不包括根据本发明的主体4或者用于传统的船1的球形船首等。

主体4：

布置在船头区域3处的主体

水面5：

平的表面，其是当没有波浪时的海面或水面。

船的前部6：

在船的纵向方向上从船的中部直到船1的最前面的点，即，包括根据本发明的主体4或者用于传统的船1的球形船首等。

头波：

由于船体2对迎面而来的水体减速而在船头区域3前面形成的波峰。

主体的前缘41：

主体4的最前面的边缘，相当于飞机机翼的“前缘”。

主体的后缘42：

主体4的最后面的边缘，其中，来自主体顶面47的水体离开主体4，相当于飞机机翼的“后缘”。

主体的前顶面43：

主体4的从前面看从主体的前缘41延伸到主体4的轮廓线53的顶面区域。

主体的后顶面44：

主体4的在主体的前顶面43终止处开始并且延伸回到主体的后缘42的顶面区域。

主体的下侧45：

主体4的从主体的前缘41延伸到其后缘42的下侧区域。

主体的前部46：

主体4的从主体的前缘41延伸并且向后通过轮廓线53延伸到竖直横截面的体积。

主体的顶面47：

主体4的从主体的前缘41延伸并且向后到其后缘42的顶面区域。

轮廓线53：

在主体的顶面47上延伸越过主体4的宽度的线，当从前面看主体4时由主体4沿着主体的横向方向的最高可见点形成。因此，在沿着整个轮廓线的交叉点处，在船1的行进方向上与主体4相切的切线是水平的。

接合面54：

主体的前缘41和其后缘42之间的边界。

接合面55：

主体的顶面47和船头区域3或V形楔65之间的边界。

接合面56：

船体2的底部和船头区域3之间的边界。

V形楔65：

用于将主体4固定至船体2和/或用来改进主体的后缘42处的流动状态的装置，其中，该装置从上面看具有V形形状或近似V形的形状。

提起的水体80：

当船1以一速度行驶时由于主体4转移迎面而来的水体，而在水面5上方提起的总水体(包括逃脱的水体80A)。

逃脱的水体80A：

当船1以一速度行驶时由于主体4转移迎面而来的水体，而在水面5上方提起的水体的一部分，并且其作为波浪逃脱至周围的水体。

速度向量85：

在主体的顶面47上方通过的水体在主体的后缘42处具有可赋予速度向量形式的速度和方向。此速度向量转而是每个单独的水分子的速度向量的合成。

图9A和图9B示出了用于特殊实施例的本发明的一般操作模式，在该特殊实施例中，在船体下方引导迎面而来的水体。用虚线示出了水面5的位置。图9A示出了当仅使主体4以高于更低的设计速度的速度通过水体时在主体4后面形成的波浪31。图9B示出了主体4和船体2之间的相互作用，及当船1以高于更低的设计速度工作时船体2如何防止波浪31上升。

本发明可以几种方式构造，但是操作模式的主要原理对于所有实施例都是共同的。

第一实施例

此部分描述了根据本发明的船1的第一实施例的结构和操作模式。见图10A、图10B、图10C和图10D以及图13A、图13B和图13C。

图10A至图10D和图13A至图13C示出了根据本发明的船1的前部6，其包括带有船头区域3的船体2和主体4，当船1静止不动时主体4部分地浸入在水体中。在图10B和图10C中及图13B和图13C中指示水面5的位置。主体4位于离船头区域3一定距离处，使得在主体4和船头区域3之间形成通道60。如在图10A至图10D中最佳地示出，主体4包括前缘41、后缘42、前顶面43、轮廓线53、后顶面44、下侧45和前部46。前顶面43和后顶面44的和构成主体的顶面47。轮廓线53指示前顶面43和后顶面44之间的边界。从上面看不到图10A中的用于主体的后缘42、轮廓线53和接合面56的虚线，但是将其示出以更好地举例说明船体2和主体4的构造。

特别参考图13A至图13C，当船1处于一定速度并且比更低的设计速度更快地移动时，通过层流转移水体使其越过主体的前顶面43。主体4的弯曲顶面47，通过朝向主体的后缘42的锥形剖面，使水体加速并且允许其在重力场中降低。在主体的后缘42处，水体具有产生具有更小竖直范围的水体的高速度。这与主体的后缘42处的水体的速度向量85一起，在船头区域3下方引导水的体积，使得船头区域3不转移迎面而来的水体。因此，船头区域3在高速时是干燥的或基本上干燥的。

在主体4的前面或其上游，将使水体以与传统的跳跃式船头的前部相同的方式减速。这在主体4的前面产生提起的水体80。主体4的横向范围，及位于主体4的每侧上的侧板70(参见图13A至图13C)，在主体4上引导提起的水体80的大部分，使得仅有主体4前面的提起的水体80的小部分80A作为波浪逃脱至周围的水体。在图13A至图13C中举例说明了由主体4形成的提起的水体80(包括逃脱的水体80A)。

当主体4具有较大的由侧板70限定界限的横向范围并且在竖直平面中提起迎面而来的水体时，使主体的顶面47上的水体与周围的水体隔离，使得当使水体在主体的顶面47上加速时在周围的水体中产生很少的波浪或不产生波浪。因此可使水体从点200向点400加速，并且在这里使水体具有有利的速度向量85(参见图13B)，在周围的水体中不产生明显的波浪。

帮助在主体4前面提起水体80的能量的部分作为势能伴随着主体的顶面47上方的水体，其中，使水体在主体的后顶面44处的重力场中下降。因此，利用提起的水体80中的增加的势能的部分来进行前进运动，或者使主体的顶面47上的水体在主体的后缘42处具有增加的速度，而不是作为波浪而丧失到周围的水体。

当主体4位于水面5附近时，不像充分浸入的提升船翼一样获得提起。主体的顶面47上的水体的重量将使船1的前部6下沉。为了抵消此下沉，可将主体的下侧45的形状和/或角度构造为，赋予使主体的顶面47上的全部水体或部分水体的重量平衡的动升力。如可从图13B看到的，产生动升力，因为主体的下侧45与水平面形成迎角α。因此当降低主体的后缘42时，主体的顶面47上的水体的速度进一步增加。

改变主体的后缘42和水体撞击船体2的区域之间的距离，使得水体通过尽可能多的层流在主体的后顶面44上流动，并且进一步通过尽可能多的层流在点500和600(图13B)下方流动，在点500和600处防止在后面的船体2处形成波。点100和300分别是前缘41上游(即，点200的上游)的水体和主体4的沿着流线的最高点处的水体的位置，在图13A中还标出点100、200、300、400、500和600。

因此，本发明已经减少了从船1形成蔓延到周围水体的波。

以增加的速度，主体的顶面47上的本质上的层流的速度将与船1速度的增加成比例地增加，从而防止在主体4前面进一步累积水体80。主体4前面的作为波浪逃脱的提起的水体80的部分80A将保持相对稳定。类似地，主体4前面的提起的水体80的高度将保持相对稳定，从而由船1的前部6形成的波高将不像传统的船1的情况中一样增加。

主体的顶面47上的水体将由于柯恩达效应而也以高速跟随主体的顶面47。

因此，本发明减小较宽速度范围内的船1的波浪阻力。

主体的前顶面43上的层流防止飞溅和破波浪阻力，从而也将减小或消除这些阻力分量。

在此第一实施例中，可将主体4通过侧板70固定至船体2，如图13A至图13C所示。也可将主体4通过船头区域3和主体的顶面47之间的一个或多个V形楔65(例如见图12A至图12D)固定至船体2。在船1的更低的速度下，模型试验已经表明，具有一定宽度的V形楔65可能是有利的。这是因为当将在船体下方引导水体时容易地使上升的湍流减小，和/或在其中形成湍流的区域减小。在更高的速度下，可这样构造紧固装置，使得其使在主体的顶面47上流动的水体尽可能少地减速。

第二实施例

此部分描述了根据本发明的第二实施例的结构和操作模式。见图11A、图11B、图11C和图11D以及图14A、图14B、图14C和图14D。

由于操作模式的主要原理对于所有实施例来说都是共同的，所以以下描述将与在以上部分中给出的说明类似。

图11A至图11D和图14A至图14D示出了根据本发明的船1的前部6，其包括船体2和主体4，其中，主体4包含在船头区域3中。而且，当船1静止不动时，主体4部分地浸入在水体中。在图11B和图11C中及图14B和图14C中指示水面5的位置。

如在图11A至图11D中最佳地示出的，主体4包括前缘41、两个后缘42、前顶面43、轮廓线53、接合面55、后顶面44、下侧45和前部46。前顶面43和后顶面44的和构成主体的顶面47。轮廓线53指示前顶面43和后顶面44之间的边界，并且接合面54指示主体的前缘41和主体的后缘42之间的边界。从上面看不到图11A中的指示主体的后缘42、轮廓线53和接合面55的虚线，但是将其示出以更好地举例说明船体2和主体4的设计。

特别参考图14A至图14D，当船1处于一定速度并且比更低的设计速度更快地工作时，以层流在主体的前顶面43上方转移水体。主体4的弯曲顶面47使水体加速。当主体的后顶面44构造为具有在横向方向上朝向主体4的周缘向外的锥形横截面时，将使水体在主体的后缘42处在重力场中下降，而与船头区域3不接触，使得防止主体的顶面47上的水体的不期望的减速。与V形楔65相同，船头区域3的构造可帮助控制主体的顶面47处的水体。在主体的后缘42处，水体具有的高速度导致水体具有更小的竖直范围。这与主体的后缘42处的水体的速度向量85一起，在船头区域3下方引导水体和/或朝向船体2的侧面向外引导水体。这意味着，船头区域3将仅转移少量的船1的前部6必须转移的迎面而来的水体；参见示出了船1的前视图的图14C。

如果不在船头区域3下方引导全部或部分来自主体的顶面47的水体，那么可这样构造主体4，使得主体的后缘42处的水体的速度向量85和不由主体4转移的迎面而来的水体的速度向量获得与船头区域3尽可能平行的速度向量。

在主体4的前面或其上游，将使水体以与传统的跳跃式船头的前部相同的方式减速。这在主体4的前面产生提起的水体80。主体的前顶面43具有在横向方向上朝向主体4的周缘向外的锥形横截面。这主要导致水体80朝向主体4的中间提起，并且从前面看，较小程度地朝向主体4的周缘向外。因此，主体4的横向范围在主体4的上方引导提起的水体80的大部分，使得仅有主体4前面的提起的水体80的小部分80A作为波浪逃脱至周围的水体。在图14A和图14B中举例说明了由主体4形成的提起的水体80和80A。

当主体4具有较大的横向范围并且在竖直平面中提起迎面而来的水体时，使主体的顶面47上的水体较大程度地与周围的水体隔离，使得由于水体在主体的顶面47上加速的结果而在周围的水体中不产生明显的波浪。因此可使水体从点200向点400(图14A至图14D)加速，在周围的水体中不产生明显的波浪。水体通过尽可能多的层流在船体2下方流动至点500。点100和点300分别是前缘41的上游(即，点200的上游)处和主体4沿着流线的最高点处的水体的位置。

帮助在主体4前面提起水体80的能量的部分作为主体的顶面47上方的势能伴随着水体，并且，使水体在主体的后顶面44处在重力场中下降。因此，利用提起的水体80中的增加的势能的部分来进行前进运动，或者使主体的顶面47上的水体在主体的后缘42处具有增加的速度，而不是作为波浪而丧失到周围的水体。

当主体4位于水面5附近时，不像充分浸入的提升船翼一样获得提升。主体的顶面47上的水体的重量将使前部6下沉。为了抵消此下沉，可将主体的下侧45的形状和/或角度构造为，赋予使主体的顶面47上的全部水体或部分水体的重量平衡的动升力。如可从图14B和图14C看到的，产生动升力，因为将主体的后缘42定位在比其前缘41低的地方。因此，主体的顶面47上的水体的速度进一步增加。

因此，本发明已经减少了从船1形成蔓延到周围水体的波。

如果将船1设计为以高速行进，那么从上面看(即，接合面54的下游)允许主体4的横向范围从主体4的最大宽度向后减小将是有利的，从而在船头区域3下方引导更大比例的在主体的顶面47上通过的水体，而不是将水体朝向船体2的侧面向外引导。

主体的前顶面43上的层流防止飞溅和破波浪阻力，从而也将减小这些阻力分量。

此第二实施例中的主体4包含在船头区域3中并且固定至船体2，因为使船体2的梁和支撑系统延伸并在主体4的内部上持续。因此，此实施例不需要任何形式的外部支柱或其他形式的外部附件。

第三实施例

图12A、图12B、图12C和图12D以及图15A、图15B、图15C和图15D所示的根据本发明的此第三实施例，具有稍微处于两个上述实施例之间的结构和操作模式。在试验B中，根据此第三实施例来制造在本文档中后面在标题为模型试验的部分中描述的模型船；参见图18A和图18B，但是没有V形楔65。

图12A至图12D和图15A至图15D示出了根据本发明的船1的前部6，其包括带有船头区域3的船体2和主体4，其中，当船1静止不动时，主体4部分地浸入在水体中。在图12B和图12C中及图15B和图15C中指示水面5的位置。

主体4位于离船头区域3一定距离处，使得在主体4和船头区域3之间形成通道60。如在图12A至图12D中最佳地示出，主体4包括前缘41、后缘42、前顶面43、轮廓线53、后顶面44、下侧45和前部46。前顶面43和后顶面44的和构成主体的顶面47。轮廓线53指示前顶面43和后顶面44之间的边界，并且接合面54指示主体的前缘41和其后缘42之间的边界。主体4位于离船头区域3一定距离处，使得在主体4和船头区域3之间形成通道60。从上面看不到图12A中的用于主体的后缘42、轮廓线53、接合面55和接合面56的虚线，但是将其示出以更好地举例说明船1的构造。

特别参考图15A至图15D；当船1处于一定速度并且比更低的设计速度更快地移动时，通过层流在主体的前顶面43上方转移水体。主体的弯曲顶面47，通过朝向主体的后缘42的锥形剖面，使水体加速并且允许其在重力场中降低。在主体的后缘42处，水体具有的高速度使得水体具有更小的竖直范围。这与主体的后缘42处的水体的速度向量85一起，在船头区域3下方引导水体，使得船头区域3仅转移少量的船头区域3的侧面处的迎面而来的水体；参见图15C。因此，船头区域3的大部分在运动期间是干燥的或基本上干燥的。

在主体4的前面或其上游，将使水体以与传统的跳跃式船头的前部相同的方式减速。这在主体4的前面产生提起的水体80。主体的前顶面43在横向方向上具有朝向主体4的周缘向外的锥形横截面。这主要导致水体80朝向主体4的中间提起，并且在横向方向上仅较小程度地朝向主体4的周缘向外提起。因此主体4的横向范围在主体4上引导提起的水体80的大部分，使得仅有主体4前面的提起的水体80的小部分80A作为波浪逃脱至周围的水体。在图15A和图15B中举例说明了由主体4形成的提起的水体80(包括逃脱的水体80A)。

当主体4具有较大的横向范围并且在竖直平面中提起迎面而来的水体时，使主体的顶面47上的水体较大程度地与周围的水体隔离，使得当使水体在主体的顶面47上加速时在周围的水体中不产生明显的波浪。因此可使水体从点200向点400加速，并且这里可使水体具有有利的速度向量85(参见图15A至图15D)，在周围的水体中不产生明显的波浪。

当主体4位于水面5附近时，不像充分浸入的提升船翼一样获得提起。主体的顶面47上的水体的重量将使前部6下沉。为了抵消此下沉，可将主体的下侧45的形状和/或角度构造为，赋予平衡主体的顶面47上的全部水体或部分水体的重量的动升力。如可从图15B和图15C看到的，产生动升力，因为将主体的后缘42定位在比其前缘41低的地方。因此，主体的顶面47上的水体的速度进一步增加。

改变主体的后缘42和水体接触船体2的区域之间的距离，使得水体通过尽可能以层流在主体的后顶面44上流动，并且进一步通过尽可能以层流在船体2下方流动至点500和600(图15A至图15D)，其中，防止在后面的船体2处形成波。点100和300分别是前缘41的上游(即，点200的上游)和主体4的沿着流线的最高点处的水体的位置。

因此，本发明已经减少了从船1形成蔓延到周围水体的波。

通过上升的速度，主体的顶面47上的本质上的层流的速度将与船1速度的增加成比例地增加，从而防止在主体4前面进一步累积水体80。主体4前面提起的水体80的作为波浪逃脱的部分80A将保持相对稳定。类似地，主体4前面的提起的水体80的高度在增加的速度下将保持相对稳定，从而由前部6形成的波高将不像传统的船1一样增加；参见模型试验中的图19A至图19C。

主体的顶面47上的水体将由于柯恩达效应而也以更高的速度跟随主体的顶面47。

因此，本发明减小较宽速度范围内的波浪阻力。

主体的前顶面43上的层流防止飞溅和破波浪阻力，从而也将减小或消除这些阻力分量。这可从图20A和图20B中清楚地看到，图20A和图20B分别示出了在主体的前顶面43上提起的所转移的水体的非层流特性和层流特性。

从上面看，此第三实施例中的主体4可通过一个或多个V形楔65固定至船体2，如图12A至图12D所示，也可在图18A和图18B中看到。在船1的更低的速度下，模型试验已经表明，具有一定宽度的V形楔65可能是有利的。这是因为当将在船体下方引导水体时容易上升的湍流减少，和/或形成湍流的区域减小。在更高的速度下，可使用支柱或板将主体4紧固至船体2，使得主体的顶面47上的水体尽可能少地减速。

一般设计标准——各式各样的

主体4和船体2构造为使得对于船1的总阻力尽可能的小。主体4的构造和位置很大程度上由船体2的吃水深度、宽度/吃水深度比例、吃水深度(负载/压舱物)的变化和速度范围决定。另外，必须留意适于远航的特性，以及其他另外与船的用途相关的实用设计。

主体4应这样构造，使得从更低的设计速度在主体的顶面47处实现最大层流。

通常，可尝试在主体的顶面47上引导迎面而来的水体的大部分。因此，必须由主体的下侧45和/或由船体2转移的水体的比例更小。这会是有利的，因为由主体的下侧45和/或由船体2转移的水体导致增加的水流速度，接着这导致负压和浮力损失，还会形成波。

在以低速至中速工作的船1的情况中(通常是F_N 0.1-0.25)，是迎面而来的水体中的动态压力限制主体的前顶面43上提起的迎面而来的水体的比例。

为了以更低的设计速度在主体的前顶面43上获得层流，由此可这样构造主体4，使得主体4的剖面在主体的前部46处具有低丰满度(little fullness)，并且其中，主体4的前下侧可具有较小的迎角；参见图26B、图26C、图26D和图26F。这使主体4前面的水体不太减速。主体4的后下侧可具有逐渐增加的迎角，以更简单地在船1下方引导水体；参见图26C、图26D和图26F。

图26F具有间隙，其允许一部分来自主体的下侧45的水流过间隙并向上流到主体的后顶面上，从而改进主体的后缘42周围的区域中的流动状态，从而减少任何湍流问题。主体4中的这种间隙是尤其在飞机工业中使用的现有技术。

图26E示出了两个位于不同高度的主体4的示例。当船1在不同负载条件中工作时，可使用此类型的构造。当船1带有轻的负载或压舱物工作时，可将上主体4放在这样高的地方，使得不会在此主体上引导水体，但是下主体4如在本文档中其他部分描述的的作用。当船1负载重时，水体可在两个主体4上通过，并且主体4的效果在这里也将如在本文档中另外描述的那样。

在更高的速度下，在动态压力更高的地方，使更大比例的迎面而来的水在主体的顶面47上被引导可能是有利的。

在以中速至更高的速度工作的船1的情况中(通常是从F_N＝0.25到超过F_N＝1.0)，使主体4具有与船体2大约相同的宽度可能是有利的。

在具有与吃水深度相比更大的宽度的船体2的情况中(通常是驳船)，使主体4具有与船体2的宽度大约相同的宽度也可能是有利的，使得将船体前面的提起的水体80本质上在船体2下方引导。

在对于船1的较小的宽度/吃水深度比下，主体4可构造为，与带有更大的宽度/吃水深度比的情况相比，横向地转移更大比例的迎面而来的水体。

可将主体4的在横向方向上朝向主体4的周缘向外的横截面制造得更细，从而减小主体4的周缘上游的水体80的提起；参见图11C、图12C、图21C、图22C和图23C。

对于另一实施例，主体的后缘42也可构造为与船体2的侧面平行，使得朝向船体2的侧面向外引导更多的水。

可这样改变主体4，使得当船1装有压舱物时，将其下侧45或其前缘41定位在水面5正上方，使得主体的下侧45在物理上防止头波的形成；参见图21A、图21B、图21C和图21D。当船1处于装载状态中时，主体4将完全浸入或部分浸入，如在本文档中另外描述的。

可将主体4在固定位置中固定至船体2。也可这样实现附接，使得在运动过程中可改变主体4在竖直平面、水平面中的位置和/或迎角。而且，主体4在主体的后缘42处可配备一个或多个被动襟翼或主动襟翼，以将对于船1的总阻力最小化至不同的深度/速度。而且，可使用主动襟翼来减小船1在波浪中的运动。

可将主体的下侧45的形状和/或角度构造为，使得在高速下从主体的下侧45产生动升力，此处动升力与当船1处于高速时主体的顶面处的水体在主体4上施加的全部或部分额外重量平衡。由于来自主体的顶面47处的水流中的水体的重量本质上稳定地高于更低的设计速度，同时来自主体的下侧45的动升力随着增加的速度而增加，所以更高的速度将需要更小的迎角。因此，构造根据本发明的船1可能是有利的，其中，可在高速下调节主体4的所述迎角，如图27A中的箭头所指示的。而且，图27B示出了装配有能够如箭头指示地移动的一个或多个远程控制襟翼的主体4。因此，主体的后缘42处的动升力和水流图将能够在高速下变化。图27C示出了装配有能够如一个或多个箭头指示地移动的一个或多个远程控制襟翼的主体4。因此，主体的后缘42处的动升力和水流图将能够在高速下变化。图27D示出了装配有能够如由一个或多个箭头指示地移动的一个或多个远程控制襟翼的主体4。因此，主体的后缘42处的动升力和水流图将能够在高速下变化。还可通过给主体4在主体的下侧45处装配一个或多个固定的和/或可移动的提升船翼来提供动升力。这在图27E中的一个可能的实施例中举例说明。这些箭头指示如何在一定速度下改变提升船翼的迎角。

还可以较小的迎角或零迎角地安装主体的下侧45，其中，由于迎面而来的水体的转移的结果，通过主体4下方的船头区域3处的压力增加而在主体的下侧产生必要的升力；参见图21B至图21D。因此，在至少一个负载状态中，主体的下侧45也将抑制头波的形成。

图21A至图21D示出了根据本发明的第四实施例的船1的前部，船1包括船体2和主体4。如可在这里看到的，主体4包括前缘41、两个后缘42、前顶面43、轮廓线53、后顶面44、下侧45和前部46。前顶面43和后顶面44的和构成主体的顶面47。轮廓线53指示前顶面43和后顶面44之间的边界，并且接合面54指示主体的前缘41和其后缘42之间的边界。指示了两种负载状态中的船的水面5，其由此也限定了对于这两种负载状态而言的船头区域3。从上面看不到图21A中的用于主体的后缘42、轮廓线53和接合面55的虚线，但是将其示出以更好地举例说明船体2和主体4的构造。

将在主体的顶面47上引导足够的水体，在主体的后缘42处产生速度向量85，使得最不可能在主体的后缘42和船头区域3之间产生湍流。

主体的后缘42和船头区域3之间的增加的距离会导致湍流增加的问题，特别是在更低的速度下。船头区域3和主体的后缘42之间的距离也必须不能太小，太小会使得防止来自主体的顶面47的水体在船体2下方流动。

应将主体4和船头区域3之间的通路或通道60的尺寸构造为，使得在主体4上通过的水体自由地流动(即，几乎不减速或不减速)，在船体2下方进一步具有最大层流，并且可选地向外流至船头区域3的侧面。在最深的吃水深度处，从主体的顶面47和主体的后缘42到船头区域3应具有足够的距离，以允许主体的顶面47上的水体自由地流动。

为了抵消主体4后面的横向转移主体的后缘42处的水体的湍流，(参见例如图14A)，也以类似的方式由主体的下侧45横向地转移水体可能是有利的；参见例如图14D，其中，破断线举例说明了主体的下侧45处的流线。

参见例如第一实施例，主体4可构造为具有或没有侧板70。可使侧板70延伸至主体的前缘41，或者可使其进一步向前延伸通过主体的前缘41。通常，可以说使侧板70进一步向前延伸，主体4前面的提起的水体80的更小比例80A将作为波浪而在周围的水体中逃脱。如果主体4构造为没有侧板70，那么从前面看可使用并未明确地固定在主体4的侧面的支柱或板将主体4紧固至船头区域。而且，可使用一个或多个V形楔65固定主体4，如在第一和第三实施例中描述的。带有这些附件的主体4也构造为具有从前面看朝向主体4的侧面向外的锥形横截面，如图22A、图22B、图22C和图22D所示。

图22A至图22D示出了根据本发明的第五实施例的船1的前部6，船1包括船体2和主体4，当船1静止不动时主体4完全浸入在水体中。在图22B和图22C中指示了水面5的位置。主体4位于离船头区域3一定距离处，使得在主体4和船头区域3之间形成通道60。主体4包括前缘41、后缘42、前顶面43、轮廓线53、后顶面44、下侧45和前部46。前顶面43和后顶面44的和构成主体的顶面47。轮廓线53指示前顶面43和后顶面44之间的边界。从上面看不到图22A中的用于主体的后缘42、轮廓线53、接合面56和紧固装置的虚线，但是将其示出以更好地举例说明船体2和主体4的构造。

图23A至图23D示出了根据本发明的第六实施例的船1的前部6，船1包括船体2和主体4，当船1静止不动时主体4完全浸入在水体中。在图23B和图23C中指示了水面5的位置。主体4位于离船头区域3一定距离处，使得在主体4和船头区域3之间形成通道60。主体4包括前缘41、后缘42、前顶面43、轮廓线53、后顶面44、下侧45和前部46。前顶面43和后顶面44的和构成主体的顶面47。轮廓线53指示前顶面43和后顶面44之间的边界，并且接合面54指示主体的前缘41和其后缘42之间的边界。从上面看不到图23A中的指示主体的后缘42、轮廓线53以及接合面55和56的虚线，但是将其示出以更好地举例说明船体2和主体4的构造。

图24A至图24D示出了根据本发明的第七实施例的船1的前部6，船1包括船体2和主体4。在试验C中，根据此第七实施例来制造在本文档中后面在标题为模型试验的部分中描述的模型船；参见图17A和图17B。此实施例兼具如第一实施例中描述的特性和尖的传统船头的特性。在图24B和图24C中指示了水面5的位置。从前面看，主体4在此实施例中不向外延伸至船1的最大宽度。主体4位于离船头区域3后面一定距离处，使得在主体4和船头区域3之间形成通道60，如在本发明的第一实施例中描述的。主体4包括前缘41、后缘42、前顶面43、轮廓线53、后顶面44、下侧45和前部46。前顶面43和后顶面44的和构成主体的顶面47。轮廓线53指示前顶面43和后顶面44之间的边界。从上面看不到图24A中的用于主体的后缘42、通道60、轮廓线53和接合面56的虚线，但是将其示出以更好地举例说明船体2和主体4的构造。进一步，图24D中的虚线标出主体4和船体2之间的边界。

在波涛汹涌的海面中，主体的顶面47将使迎面而来的波浪变平，并且在船体2下方引导其使得船头区域3更小程度地遇到来自波浪的阻力。因此，主体的顶面47和船头区域3之间具有足够的距离可能是有利的，以允许一定高度的波浪自由地在主体的顶面47和船头区域3之间的通道60中通过，然后在船体2下方被引导。

而且，在更猛的海浪中，使船体2具有如图23A至图23D和图24A至图24D所示的构造可能是有利的，其中，无法自由地在主体4和船头区域3之间的通道60中通过的迎面而来的猛浪可以尽可能被自由地横向转移。

在猛浪中，也可能在主体的下侧45处出现碰撞。为了抵消此碰撞，从前面看可将主体的下侧45制造成弯曲的或V形的；分别参见图14B至图14C和图23B至图23C。而且，主体的前缘41可以是圆的(参见图14A和图14D)，或者可将主体4制造为具有“后掠”构造；参见图23A至图23D。主体4在下侧处的区域也可能是关键的，因为更小的区域可产生更小的碰撞。通过将主体4定位在水体中更深的地方，主体的下侧45也可更少地受到碰撞。

图25A和图25B示出了根据本发明的船1的前部6，船1包括船体2和主体4，其中，主体4的最高点位于水面5。主体的后缘42分别位于比船体2的底部高和低的地方。在低速下，主体的后缘42位于比船体2的底部低的地方可能是有利的，部分原因是，当将在船体2下方引导来自主体的顶面47的水体时可能出现的湍流问题由此将更小。

在船1的行进方向上的竖直截面中看，主体的前缘41处的主体4的半径对于主体4的适于远航的特性来说可能是重要的。如果主体4的半径在这里过于尖，即，在主体的前缘41处具有较小半径(参见例如图26B、图26C和图26D)，那么当船1处于一定速度和/或受到波浪时可能出现空化和湍流。如图26A所示的主体的前缘41的构造在空化方面可能更有利。而且，如果顶面47和/或下侧45上存在其他具有小曲率半径的区域，那么可能出现空化问题。小在这里的意思是比主体4的一般尺寸小得多，例如，小于主体长度的20％的曲率半径。

由于根据本发明设计的船1与传统的船1相比在增加的速度下具有减小的波浪阻力，并且由于船1的波浪阻力与船1的长度关系不大，所以将根据本发明的船1设计为具有与传统的船1相比更大的宽度和更小的长度可能是有利的。因此，根据本发明的船1与传统的相同的负载容量的船1相比建造起来没那么贵。

主体的顶面47可具有单曲率、双曲率或三曲率，如分别在图26A、图26B和图26C中举例说明的。顶面47也可具有一个或多个直的部分。而且，参考图26A至图26D所示的内容，可使主体4的轮廓线53在主体的纵向方向上向前或向后移动。横跨主体4的横向范围主体4可具有不同的剖面和剖面厚度。主体的下侧45可以是直的(参见图26B)或者具有单曲率(参见图26A和图26D)或者具有双曲率(参见图26C)。主体4可制造为图26A至图26D的一个或多个组合。然而，图26A至图26D所示的构造在示出主体4的所有可能的构造方面并不是穷尽的。

如果希望引导水体朝向主体4的中间，那么在另选实施例中，主体4可制造为从前面看在横向方向上朝向主体4的周缘向外满度最大，围绕中心轴线时满度最小。

而且，主体的后顶面44可制造为具有限定的/明显的后缘42，例如，尖的或几乎尖的，其中，限定的后缘42可位于比主体的前缘41低的地方。

从上面看可将主体的前缘41制造成直的、凹的、凸的、“后掠的”、“前掠的”或其组合。这同样适用于主体的后缘42。图28A至图28J说明了这些的示例并且示出了从上面看的主体的顶面47。箭头指示水体的流向。指示主体的前缘41、后缘42和接合面54。然而，图28A至图28J在示出主体4的所有可能的构造方面并不是穷尽的。

主体的顶面47和下侧45可构造为，当船1静止不动时从前面看具有V形或U形，以适于倾斜。这对于帆船来说将特别有用。

对于第一、第二、第三、第四、第五和第六实施例来说，从前面看主体4的宽度通常应在船体2的宽度的50％和100％之间。对于第七实施例，从前面看主体4的宽度也可小于船体2的宽度的50％。

从前面看，主体4优选地应具有大于1.5的宽度/高度比。

模型试验

为了证明本发明及其作用模式，并且为了核实对前进运动的阻力的变化，发明人已经使用模型船进行了试验。

为了能够最佳地比较对于船1的前部6的不同构造来说的对前进运动的阻力，模型船具有可互换的船头截面。因此，在模型船的剩余部分具有相同结构的同时，易于在不同的船头截面之间进行转换。因此，可在另外相同的条件下进行重复的运行。

模型船是使用电推进发动机进行无线电控制的。电池具有恰当的尺寸，使得电压损失不明显。将模型的螺旋轴水平地或接近水平地安装，并且螺旋轴由简单的不吸收推力的黄铜轴承支撑。将螺旋轴直接安装在电动机上，接着将电动机安装在支架中，支架在螺旋轴的方向上平稳地滚动。支架吸收螺旋轴和电动机的扭转力矩，但是不吸收螺旋轴的推力。支架撞击压力传感器，使得可记录螺旋轴推力，单位是牛顿[N]。当用恒速驱动模型船时，来自螺旋轴的推力等于模型船的推进阻力。用GPS记录器测量模型船的速度。对于图2中画出的作为试验A、B和C的三个模型试验中的每个，试验结果是所实现的速度[m/s]和推进阻力[N]。基于模型的长度和速度，还沿着x轴提供模型的弗劳德数[F_N]。对于每个测量点，在5-10秒的期间内记录平均推力，并且对应地画出其在相同时间过程中与速度的关系。

在试验A中，使用根据现有技术的传统船头构造来驱动模型船，如图16A、图16B和图16C所示。

在试验B中，使用根据本发明的第三实施例的(没有V形楔65的)修改的船头构造来驱动模型船，如之前在本文档中描述的。试验B中的船头截面与图18A和图18B所示的相同，除了图18A和图18B中的修改的船头构造示出为具有V形楔65以外。在试验B中，使用薄板将主体4固定至模型船，如可在图20A中看到的。

在试验C中，使用如图17A和图17B所示的及参见图24A、图24B、图24C和图24D如之前在本文档中描述的根据本发明的第七实施例的修改的船头构造来驱动模型船。

将试验A中的带有传统船头的模型船建造为典型的排水型船体。模型具有154cm的最大长度和33cm的宽度。模型船的船体侧面和船头区域3之间的过渡区域离模型船的船尾是大约115cm。在模型试验的过程中，模型船的重量是34.5kg，其产生大约9.7cm的吃水深度。使模型船这样纵倾，使得当其静止不动且浮在水中时，其具有几乎中性的纵倾。中性纵倾的意思是说，使模型船这样定向，使得模型船的底部与水面5平行。

试验B中的模型船具有153.5cm的最大长度。模型的宽度、重量和纵倾另外与试验A无变化。模型船的吃水深度是大约10.2cm。从前面看，主体4的最大宽度是33.0cm，并且从侧面看，主体4的最大长度是31.0cm。主体4的最大竖直厚度是8.0cm，并且位于离主体的前缘41上的最前面的点大约13cm的地方。主体的后缘42位于模型船的底部上方1.0cm的地方。主体的前缘41上在船的行进方向上的最前面的点位于比模型船的底部高4.9cm的地方。模型船的底部和船头区域3之间的过渡区域中的曲率半径大约15.0cm。在水平面中测量，主体的后缘42和船体2之间的通道60的距离是大约11.0cm。与主体的顶面47垂直地测量，主体的顶面47和船体2之间的通道60的距离是大约6.0cm。模型船的侧面和船头区域3之间的过渡区域中的曲率半径是大约5.5cm。

试验C中的模型船具有154cm的最大长度。模型的宽度、重量和纵倾另外与试验A无变化。模型船的吃水深度是大约9.8cm。从前面看，主体4的宽度是16cm，并且从侧面看，主体4的长度是26.5cm。主体4的最大竖直厚度是4.0cm，并且位于离主体的前缘41有12cm的地方。主体的后缘42位于和模型船的底部相同高度的地方。主体的前缘41上的最前面的点位于比模型船的底部高4.7cm的地方。模型船的底部和船头区域3之间形成通道60的曲率具有大约10cm的半径。在水平面中测量，主体的后缘42和船体2之间的通道60的距离是大约7.0cm。与主体的顶面47垂直地测量，主体的顶面47和船体2之间的通道60的距离是大约8cm。模型船的船体侧面和船头区域3之间的过渡区域离模型船的船尾是大约110cm，其中，船头区域3以凸出形状开始，然后是凹入形状，如可在图17A中看到的。

如可从图2中的估计曲线中看到的，试验B中的修改的船头在高于大约1.23m/s的速度下对前进运动具有最小的阻力，同时试验C中的修改的船头在大约1.03m/s和1.23m/s之间的速度范围内对前进运动具有更小的阻力。在低于大约1.03m/s下，对于试验A中的传统船头的推进阻力比两个具有修改的船头的另选方式小。

图19A、图19B和图19C示出了在模型试验过程中获得的照片。当模型装配有和试验A中一样的传统船头构造时，获得图19A，同时，当模型装配有和试验B中一样的修改的船头构造时，获得图19B和图19C。图19A、图19B和图19C的所测速度分别是1.25m/s、1.25m/s和1.34m/s。在图19A、图19B和图19C中在视觉上示出，从带有根据本发明的修改的船头的模型产生的波比带有传统船头构造的相同模型小得多。

从1.25m/s的速度(其是图19A和图19B中的模型船的速度)下的图2中的估计曲线中，可以看出，试验A中的带有传统船头构造的模型船施加比试验B中的带有修改的船头的模型船多大约38.3％的推进阻力(估计的推进阻力分别是10.44N和7.55N)。

如果将模型船按比例放大50倍，那么将获得77米长的原尺寸船。通过使用以上给出的等式(1)，模型船的1.25m/s的速度将对应于原尺寸船的8.84m/s的速度，对应于17.2节。在此速度下，模型试验指出，建造为具有根据在试验A中使用的模型的传统船头的原尺寸船将施加比建造为具有根据在试验B中使用的模型的修改的船头的原尺寸船多47.1％的推进阻力(所计算的推进阻力分别是1,158KN和787KN)。根据由NTNU(挪威)Motstand ogframdrift的Havard Holm和Sverre Steen描述的过程，将测量数据从模型转化成原尺寸。假设带有传统船头和带有修改的船头的模型船将具有S_m＝0.71m²的湿润表面，并且进一步假设二者都将具有L_vl,m＝1.54m的吃水线长度。

在之前的描述中，已经参考说明性实施例描述了根据本发明的船的不同方面。为了提供船及其操作模式的充分理解的目的，已经给出了说明、具体数据、系统和构造。然而，此描述的目的并不是以限制性方式解释。该说明性实施例以及船的其他实施例的对于与所述内容相关领域中的技术人员来说将显而易见的不同改进和变化，在本发明的范围内。

Claims

1.一种船(1)，包括：

船体(2)，带有船头区域(3)，所述船头区域限定为当所述船(1)静止不动且浮在水体中时从前面看所述船体(2)的在水面(5)下方的表面区域；以及

主体(4)，布置在所述船头区域(3)处，其中，所述主体(4)进一步包括：

前缘(41)；

后缘(42)，位于所述前缘(41)的下游；

下侧(45)；以及

顶面(47)，所述顶面进一步包括

前顶面(43)，从前面看所述前顶面从所述主体的前缘(41)延伸到所述主体(4)的外轮廓线(53)；并且

其中，当静止不动且浮在水体中的所述船(1)无有效载荷且没有压舱物时，从前面看，所述主体(4)的最高点位于比所述船(1)的最深吃水深度的一半高的地方，

其特征在于，在所述船(1)的至少一个装载状态中，所述主体(4)的穿过所述船(1)的行进方向的竖直截面和所述主体(4)在所述船体(2)的横向方向上的延伸范围设计为，

在所述船(1)的一速度下，在所述主体的顶面(47)上转移迎面而来水体，该速度等于或大于定义为所述船(1)的最低速度的低设计速度，其中，主要在沿着所述船(1)的行进方向的竖直平面中转移的迎面而来水体在所述主体的前顶面(43)上获得基本上层状的流，并且其中，所述主体的顶面(47)的构造使在所述外轮廓线(53)下游处在重力场中下降的迎面而来水体加速，使得迎面而来水体在所述主体的后缘(42)处获得的速度和方向引导迎面而来水体远离船头区域(3)，或所获得的速度和方向基本上与所述船头区域(3)平行，或是这两者的组合，其中，从前面看，所述主体(4)的区域构成所述船头区域(3)的一部分的超过20％，所述船头区域的该部分位于所述船(1)的行进方向上的两个竖直平面之间并在所述主体(4)的后面，这两个竖直平面具有对应于所述主体(4)的最大宽度的间隔。

2.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，所述加速包括在所述外轮廓线(53)上游处在重力场中提升迎面而来水体。

3.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，从上面看，所述主体的前缘(41)伸出至所述主体(4)的最大宽度。

4.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，所述主体(4)布置为：使得当所述船(1)静止不动且浮在水体中时，在所述船(1)的至少一个装载状态中，所述主体(4)的前缘(41)位于水面(5)下方或位于水面处。

5.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，所述主体定位为：使得，从前面看所述主体(4)的最高点位于比当无有效载荷且没有压舱物的所述船(1)静止不动且浮在水体中时从所述船(1)的最低点测算的所述船(1)的最深吃水深度的3/4高的地方。

6.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，在所述船(1)的至少一个装载状态中，所述主体的外轮廓线(53)及所述主体的前缘(41)定位成：使得在所述船(1)的等于或大于所述低设计速度的速度下，在水面(5)上方提起大于20％的迎面而来水体。

7.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，在一个竖直截面中看，所述主体的后缘(42)具有的形状与水翼的后缘相同。

8.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，在所述船(1)的至少一个装载状态中，所述主体(4)的在所述船(1)的行进方向上的竖直截面和所述主体(4)的在所述船体(2)的横向方向上的延伸范围构造成：使得在所述船(1)的等于或大于所述低设计速度的速度下，在所述船体(2)下方引导大于20％的迎面而来水体在所述主体的顶面(47)上通过。

9.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，所述主体(4)布置为在离所述船头区域(3)一距离处，使得在所述主体(4)和所述船头区域(3)之间形成至少一个通道(60)。

10.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，所述主体的后缘(42)布置为在离所述船头区域(3)一距离处，使得在所述船(1)的至少一个装载状态中，当所述船(1)的速度等于或大于所述低设计速度时，防止在所述船体(2)下方引导的迎面而来水体的一部分上升。

11.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，从前面看，所述主体(4)的最大横向延伸范围(B)除以所述主体(4)的最大高度(H)的结果大于1.5。

12.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，从前面看，所述主体(4)的区域构成大于20％的在所述船(1)的最大吃水深度下的所述船头区域(3)。

13.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，当所述船(1)处于中性纵倾且装有10％的其最大有效载荷时，所述主体(4)的在所述船(1)的行进方向上的竖直截面在竖直平面中具有最大延伸范围，该最大延伸范围构成所述船体(2)的吃水深度的至少40％。

14.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，从前面看所述主体(4)具有的最大横向延伸范围是从前面看所述船体(2)的最大宽度的至少3/8。

15.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，所述主体的顶面(47)包括至少一个凸出部分，该凸出部分构成所述主体的顶面(47)的大于10％。

16.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，在所述外轮廓线(53)下游所述主体的顶面(47)具有这样的构造，该构造导致在迎面而来水体撞击所述船体(2)之前，在所述主体的顶面(47)上通过的迎面而来水体下降至所述主体的前缘(41)的高度位置或低于所述主体的前缘的高度位置。

17.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，所述主体(4)的横向延伸范围及所述主体相对于水面(5)的位置选择为：使得在所述船(1)的至少一个装载状态中，在所述船(1)的等于或大于所述低设计速度的速度下，使在所述主体的顶面(47)上通过的迎面而来水体的大部分与周围的水体隔离。

18.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，在所述船(1)的至少一个装载状态中，所述主体的下侧(45)的形状和/或角度构造为，在所述船(1)的等于或大于所述低设计速度的速度下提供动升力，使得所述主体(4)获得与当所述船(1)静止不动且浮在水体中时相比不变的浮力。

19.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，在至少一个装载状态中，所述主体(4)相对于水面(5)的竖直位置为：在所述船(1)的等于或大于所述低设计速度的速度下，使得在所述主体的顶面(47)处且在所述主体(4)的最大厚度下游的迎面而来水体获得基本上不变的速度或增加的速度，所述主体的该最大厚度沿着所述船(1)的行进方向测量且与所述主体(4)的弦线成90度。

20.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，在至少一个装载状态中，所述主体(4)相对于水面(5)的竖直位置为：在所述船(1)的等于或大于所述低设计速度的速度下，使得在所述外轮廓线(53)的下游迎面而来水体中的压力在所述顶面(47)上方基本上是不变的。

21.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，从前面看，所述主体(4)的横截面区域的高度在所述主体的横向方向上朝向周缘减小，使得在所述主体(4)的下侧(45)累积的压力和在所述主体(4)的顶面(47)处累积的压力在所述主体(4)的周缘处基本上相等。

22.根据权利要求1所述的船(1)，

其特征在于，所述主体(4)的每个横向侧处的周缘包括沿着所述船的行进方向在所述主体(4)的大部分上延伸的板，所述板的几何形状设计成，使得所述主体(4)的下侧(45)处的压力对所述主体(4)的顶面(47)处的压力没有影响。