CN107458536B - 一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置及减阻方法 - Google Patents

一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置及减阻方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船舶及水下航行器减阻增效技术领域,更具体地,涉及一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置及减阻方法,所述气膜减阻装置包括外壳体及设于其内的内舱室、隔离板和一级隔层,隔离板用于将内舱室与一级隔层隔离开,外壳体上设有多个通孔;一级隔层上设有多个节流孔,一级隔层与隔离板连接构成一级高压舱室;内舱室内设有用于储存高压气体的内胆,内胆与一级高压舱室连通且连通的通道上设有控制阀。当将该气膜减阻装置安装在水下航行器上时,根据水下航行器所在的水深及航行速度,通过调节控制阀以调节内胆释放的气体,使一级高压舱室内的气体满足额定压力值并从外壳体释放出来,即能在水下航行器表面形成气膜,以减小航行器的阻力。

Description

一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置及减阻方法
技术领域
本发明涉及船舶及水下航行器减阻增效技术领域,更具体地,涉及一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置及减阻方法。
背景技术
由于水的粘度比空气的粘度大得多,因此水下航行器需要克服的阻力比航空器也大得多,所以水下航行器的减阻是一个非常重要的课题。
目前为止,常见的减阻方法主要有以下几大类:其一是优化构型设计,通过对水下航行器的外表构型的流线型设计,再结合仿生学来达到水下航行器的减阻;其二是改变水下航行器外表面性质,包括超疏水材料的运用、表面增加微结构以及类鲨鱼皮的覆瓦型盾鳞肋条结构等等;其三是利用超空泡效应减阻,当水下航行器的运动速度超过约50米每秒时,其尾部就会形成奇异的大型水蒸气沟,将航行器与水接触的部分包住,与航行器接触的介质就由水变成了水蒸气,因而就能大幅减少水下航行器所受阻力。然而超空泡效应减阻的前提条件是,航行器处于高速运行状态,因此对于低速航行的水下航行器来讲,超空泡效应减阻方法效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,将其安装在水下航行器上时,能在水下航行器的表面形成一层均匀稳定的气膜,以减小航行器的阻力,且当水下航行器位于不同的水深与航速时,该减阻装置减阻效果均佳。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
提供一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,包括外壳体及设于其内的内舱室、隔离板和一级隔层,隔离板用于将内舱室与一级隔层隔离开,外壳体上设有多个通孔;一级隔层上设有多个节流孔,一级隔层与隔离板连接构成一级高压舱室;内舱室内设有用于储存高压气体的内胆,内胆与一级高压舱室连通且连通的通道上设有控制阀。
上述方案中,当将该气膜减阻装置安装在水下航行器上时,根据水下航行器所在的水深及航行速度,通过调节控制阀以调节内胆释放的气体,使一级高压舱室内的气体满足额定压力值并从外壳体释放出来,即能在水下航行器表面形成气膜,以减小航行器的阻力。
优选地,外壳体内还设有若干个其他级隔层,所有其他级隔层呈间隙依次套设于一级隔层上,每个其他级隔层上均设有多个节流孔;每个其他级隔层均与隔离板连接,一级隔层、最靠近一级隔层的其他级隔层与隔离板连接或相邻其他级隔层与隔离板连接构成其他级高压舱室。例如设置二级隔层、三级隔层…..、(N-1)级隔层、N级隔层,则一级隔层、二级隔层与隔离板一起构成二级高压舱室,二级隔层、三级隔层与隔离板一起构成三级高压舱室,……,(N-1)级隔层、N级隔层与隔离板一起构成N级高压舱室,通过依次设置一级高压舱室、二级高压舱室……、N级高压舱室,使得内胆释放出的气体经过多级高压舱室的缓冲作用后由高压变成低压,并最终从外壳体释放出来,且释放出来时气体更均匀更平稳,进而使得在水下航行器表面形成的气膜更均匀更平稳,进一步提高减阻效果。
优选地,外壳体内设有一个其他级隔层,所述其他级隔层为二级隔层;二级隔层、一级隔层与隔离板连接构成二级高压舱室。一级高压舱室与二级高压舱室之间、二级高压舱室与外界之间的气体输运能按照目标流速流动,以在水下航行器表面形成均匀平稳的气膜。
优选地,节流孔的孔径从一级隔层至最远离一级隔层的其他级隔层依次减小。这样设置使得从外壳体释放出的气体更均匀更平稳,减阻效果更佳。
优选地,节流孔的排布密度从一级隔层至最远离一级隔层的其他级隔层依次增大。这样设置使得从外壳体释放出的气体更均匀更平稳,减阻效果更佳。
优选地,一级隔层、所有其他级隔层及外壳体均为曲面结构。这样设置使得在构型设计上减小水下航行器的阻力。
优选地,所述外壳体为多孔介质材料结构。这样使得外壳体致密通透,进而使得从外壳体流出的气体更均匀更平稳,更容易在水下航行器表面形成一层均匀平稳的气膜。
优选地,内舱室内设有高压气体制造装置,所述高压气体制造装置的输出口与内胆连通。这样设置使得高压气体具有制造源头,进而使得该减阻装置能长时间地对水下航行器减阻。
本发明的另一个目的是提供一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻方法,使用上述气膜减阻装置,根据水下航行器所在的水深及航行速度,调节控制阀以调节内胆释放的气体,使一级高压舱室内的气体满足额定压力值并外壳体释放出来形成气膜。
水下航行器自身即能获取其所在水深及航行速度;对于节流孔所在隔层的两侧的气体而言,两侧的气压P 1P 2以及流经节流孔的流量之间满足如下关系:
其中, P 1P 2分别为低压气体和高压气体的压强;绝热系数,为一常数;为一常数;为通用气体常数,T为当前气体温度;为通过节流孔的气体流速;A为节流孔的面积;流量系数,为一常数;Q为流经节流孔的气体流量;对于任何一个水深及航速,通过调节控制阀以调节内胆释放的气体,使一级高压舱室内的气体满足额定压力值,气体最终从外壳体释放出来,并在水下航行器表面形成一层由均匀稳定的气体构成的气膜,气膜包裹水下航行器即可达到减阻的目的。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,当将该气膜减阻装置安装在水下航行器上时,根据水下航行器所在的水深及航行速度,通过调节控制阀以调节内胆释放的气体,使一级高压舱室内的气体满足额定压力值并从外壳体释放出来,即能在水下航行器表面形成气膜,以减小航行器的阻力;通过在外壳体内还设置若干个其他级隔层,所有其他级隔层呈间隙依次套设于一级隔层上,每个其他级隔层上均设有多个节流孔,每个其他级隔层均与隔离板连接,一级隔层、最靠近一级隔层的其他级隔层与隔离板连接或相邻其他级隔层与隔离板连接构成其他级高压舱室,使得内胆释放出的气体经过多级高压舱室的缓冲作用后由高压变成低压,并最终从外壳体释放出来,且释放出来时气体更均匀更平稳,进而使得在水下航行器表面形成的气膜更均匀更平稳,进一步提高减阻效果;通过将所述外壳体设置为多孔介质材料结构,这样使得外壳体致密通透,进而使得从外壳体流出的气体更均匀更平稳,更容易在水下航行器表面形成一层均匀平稳的气膜。
附图说明
图1为本发明一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置的结构示意图。
图2为一级隔层上节流孔的示意图。
图3为二级隔层上节流孔的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
本实施例一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置的示意图如图1至图3所示,包括外壳体9及设于其内的内舱室2、隔离板4和一级隔层7,隔离板4用于将内舱室2与一级隔层7隔离开,外壳体9上设有多个通孔;一级隔层7上设有多个节流孔10,一级隔层7与隔离板4连接构成一级高压舱室5;内舱室2内设有用于储存高压气体的内胆1,内胆1与一级高压舱室5连通且连通的通道上设有控制阀3。
当将该气膜减阻装置安装在水下航行器上时,根据水下航行器所在的水深及航行速度,通过调节控制阀3以调节内胆1释放的气体,使一级高压舱室5内的气体满足额定压力值并从外壳体9释放出来,即能在水下航行器表面形成气膜,以减小航行器的阻力。
其中,外壳体9内还设有若干个其他级隔层,所有其他级隔层呈间隙依次套设于一级隔层7上,每个其他级隔层上均设有多个节流孔10;每个其他级隔层均与隔离板4连接,一级隔层7、最靠近一级隔层7的其他级隔层与隔离板4连接或相邻其他级隔层与隔离板4连接构成其他级高压舱室。例如设置二级隔层8、三级隔层…..、(N-1)级隔层、N级隔层,则一级隔层7、二级隔层8与隔离板4一起构成二级高压舱室6,二级隔层8、三级隔层与隔离板4一起构成三级高压舱室,……,(N-1)级隔层、N级隔层与隔离板4一起构成N级高压舱室,通过依次设置一级高压舱室5、二级高压舱室6……、N级高压舱室,使得内胆1释放出的气体经过多级高压舱室的缓冲作用后由高压变成低压,并最终从外壳体9释放出来,且释放出来时气体更均匀更平稳,进而使得在水下航行器表面形成的气膜更均匀更平稳,进一步提高减阻效果。
本实施例中,外壳体9内设有一个其他级隔层,所述其他级隔层为二级隔层8;二级隔层8、一级隔层7与隔离板4连接构成二级高压舱室6。一级高压舱室5与二级高压舱室6之间、二级高压舱室6与外界之间的气体输运能按照目标流速流动,以在水下航行器表面形成均匀平稳的气膜。
另外,节流孔10的孔径从一级隔层7至最远离一级隔层7的其他级隔层依次减小,如图2至图3所示。这样设置使得从外壳体9释放出的气体更均匀更平稳,减阻效果更佳。
其中,节流孔10的排布密度从一级隔层7至最远离一级隔层7的其他级隔层依次增大,如图2至图3所示。这样设置使得从外壳体9释放出的气体更均匀更平稳,减阻效果更佳。
另外,一级隔层7、所有其他级隔层及外壳体9均为曲面结构。这样设置使得在构型设计上减小水下航行器的阻力。
其中,所述外壳体9为多孔介质材料结构。这样使得外壳体9致密通透,进而使得从外壳体9流出的气体更均匀更平稳,更容易在水下航行器表面形成一层均匀平稳的气膜。
另外,内舱室2内设有高压气体制造装置,所述高压气体制造装置的输出口与内胆1连通。这样设置使得高压气体具有制造源头,进而使得该减阻装置能长时间地对水下航行器减阻。
本实施例还提供了一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻方法,使用上述气膜减阻装置,根据水下航行器所在的水深及航行速度,调节控制阀3以调节内胆1释放的气体,使一级高压舱室5内的气体满足额定压力值并从外壳体9释放出来形成气膜。
水下航行器自身即能获取其所在水深及航行速度;对于节流孔10所在隔层的两侧的气体而言,两侧的气压P 1P 2以及流经节流孔10的流量之间满足如下关系:
其中, P 1P 2分别为低压气体和高压气体的压强;绝热系数,为一常数;为一常数;为通用气体常数,T为当前气体温度;为通过节流孔10的气体流速;A为节流孔10的面积;流量系数,为一常数;Q为流经节流孔10的气体流量;对于任何一个水深及航速,通过调节控制阀3以调节内胆1释放的气体,使一级高压舱室5内的气体满足额定压力值,气体最终从外壳体9释放出来,并在水下航行器表面形成一层由均匀稳定的气体构成的气膜,气膜包裹水下航行器即可达到减阻的目的。
因此具体使用时,只需调节控制阀3,即能对水下航行器进行减阻。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,其特征在于,包括外壳体(9)及设于其内的内舱室(2)、隔离板(4)和一级隔层(7),隔离板(4)用于将内舱室(2)与一级隔层(7)隔离开,外壳体(9)上设有多个通孔;一级隔层(7)上设有多个节流孔(10),一级隔层(7)与隔离板(4)连接构成一级高压舱室(5);内舱室(2)内设有用于储存高压气体的内胆(1),内胆(1)与一级高压舱室(5)连通且连通的通道上设有控制阀(3);
外壳体(9)内还设有若干个其他级隔层,所有其他级隔层呈间隙依次套设于一级隔层(7)上,每个其他级隔层上均设有多个节流孔(10);每个其他级隔层均与隔离板(4)连接,一级隔层(7)、最靠近一级隔层(7)的其他级隔层与隔离板(4)连接或相邻其他级隔层与隔离板(4)连接构成其他级高压舱室。
2.根据权利要求1所述的一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,其特征在于,外壳体(9)内设有一个其他级隔层,所述其他级隔层为二级隔层(8);二级隔层(8)、一级隔层(7)与隔离板(4)连接构成二级高压舱室(6)。
3.根据权利要求1所述的一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,其特征在于,节流孔(10)的孔径从一级隔层(7)至最远离一级隔层(7)的其他级隔层依次减小。
4.根据权利要求1所述的一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,其特征在于,节流孔(10)的排布密度从一级隔层(7)至最远离一级隔层(7)的其他级隔层依次增大。
5.根据权利要求1所述的一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,其特征在于,一级隔层(7)、所有其他级隔层及外壳体(9)均为曲面结构。
6.根据权利要求1所述的一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,其特征在于,所述外壳体(9)为多孔介质材料结构。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻装置,其特征在于,内舱室(2)内设有高压气体制造装置,所述高压气体制造装置的输出口与内胆(1)连通。
8.一种多级节流控制的水下航行器气膜减阻方法,其特征在于,使用权利要求7所述的气膜减阻装置,根据水下航行器所在的水深及航行速度,调节控制阀(3)以调节内胆(1)释放的气体,使一级高压舱室(5)内的气体满足额定压力值并从外壳体(9)释放出来形成气膜。
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