CN108116617B - 减少船舶航行阻力的结构及其应用 - Google Patents

减少船舶航行阻力的结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种减少船舶航行阻力的结构及其应用，该减少船舶航行阻力的结构应用于一船舶，该船舶具有一前端以及一艉端，该前端与该艉端之间形成一中心线，该减少船舶航行阻力的结构包括至少一扰流器，该扰流器设置于该船舶两侧的最宽处与该艉端之间的表面上，或该扰流器设置于该船舶底部的吃水最深处与该艉端之间的表面上；通过该扰流器的设置以产生紊流可使船舶航行时的阻力减小，而可提升船舶行进的速度或减少燃料的耗用。

Description

减少船舶航行阻力的结构及其应用
技术领域
本发明是有关于一种减少船舶航行阻力的结构，特别是有关于一种在船舶载具的船壳表面设置扰流器以产生紊流而借此减少航行阻力的结构的应用。
背景技术
船舶于航行时承受水的阻力，阻力影响行进速度甚巨。阻力不但使船舶耗用更多的能量及燃料，其动力产生机构与动力传输机构需承受较大的负荷而易耗损，且会增加航行的时间，制造更多的废气及废热，造成环境的污染以及运输业者在能源与航行时间方面的损失。
然而，现今船舶流线造型的设计对于阻力的改善虽大有帮助，但实际减少的阻力仍有其限度，请参阅图1A与图1B所示，其为现有的船舶于水中航行的水流示意图，该船舶1具有船体100，船体100前进的方向为H，船体100具有前端11以及艉端14，船体100在前端11与艉端14之间具有最宽处12以及最深处13，当船舶1在水中航行时，水相对于船体100具有相对速度，根据流体力学，当流体流经表面时，会在表面形成边界层(boundary layer)，因此船舶1在水中移动时会在船体100的表面附近形成边界层31，边界层31包括船体100的侧表面的边界层以及船体100的底面的边界层，该边界层31自前向后逐渐增厚。边界层31附着于船体100并随船前进，其渐增的横剖面积及增加的总重量都使船舶的阻力增加。
另外，水相对于船体100的流速在最宽处12为最大，而在前端11以及艉端14前方的流离点(separation point)15为最小，流离点15的后方会产生追迹流(wake current)34；根据伯努利原理，流速与压力成反比，因此船舶承受水的压力，在前端11为最大，其后渐减，至最宽处12为最小，其后又渐増至流离点15为止；因此，前端11至最宽处12的纵向总压力大于最宽处12至艉端14的纵向总压力，此种前后的压力差也为阻碍船舶前进的压阻力，以上船舶行进时产生的几种阻力都减损了船舶的航行速度。
有鉴于此，本发明的设计人期望能提供一种可减少船舶航行阻力的结构及其应用，利用特殊设置的扰流器以减少边界层的厚度，使流离点向后移以增加船艉压力，借此减少船舶航行时所遭受的阻力，而提升船舶行进的速度或减少燃料的耗用，是为本发明所欲研发的创作动机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少船舶航行阻力的结构及其应用，其是于船壳的表面设置至少一或多个扰流器(turbulence generator)，即可通过该扰流器产生紊流而使船壳表面边界层的厚度减少，使流离点向后移以使船艉的压力增加。
为达到上述目的，本发明提供了一种减少船舶航行阻力的结构，其中，所述减少船舶航行阻力的结构用于一船舶，所述船舶具有一前端以及一艉端，且所述船舶能于水流体中航行，所述船舶的所述前端的底部与所述艉端的底部之间形成一中心线，所述减少船舶航行阻力的结构包括多个扰流器，该扰流器设置于该船舶的两侧的最宽处与艉端之间的表面上。
在另一实施例中，该扰流器设置于该船舶的底部与流体接触的吃水最深处与艉端之间的表面上。
在本发明的较佳实施例中，该减少船舶航行阻力的结构包括多个扰流器，其中两相邻的扰流器之间形成一间隔空间并排列成线形。
在本实施例中，该减少船舶航行阻力的结构包括多个扰流器，各扰流器无间隔相互接触串连设置成长条状，以配合船舶载具的特殊形状。
在本实施例中，该扰流器具有一作用面，该作用面面向流体，用于与流体碰撞以产生紊流。
在本实施例中，当该船舶载具于水流体中航行时，该流体与该扰流器具有一相对速度，该扰流器的作用面与该船舶的中心线呈60°以内的交角。
在另一实施例中，该扰流器的作用面与该船舶的中心线呈0°的交角。
在本发明的较佳实施例中，该扰流器可为矩形体、斜端面矩形体、梯形角柱体、三角锥体或半圆锥体等各种结构。
在本实施例中，该扰流器贴附、嵌入或焊接于该船舶的表面，或该扰流器与该船舶一体成型设置。
在本实施例中，该扰流器为金属、塑胶、木材、竹材、玻璃、陶瓷或复合材料等制成。
一种具有减少航行阻力的结构的船舶，其中该具有减少航行阻力的结构的船舶包括一船体以及至少一扰流器，该扰流器设置于该船体的两侧的最宽处与艉端之间的表面上，或该扰流器设置在该船体底部的吃水最深处与艉端之间的表面上，通过该扰流器的设置以产生紊流能使该船舶航行时的阻力减小。
本发明通过在船舶壳体表面的最宽处至艉端或最深处至艉端之间设置扰流器，可以在扰流器的后方产生适当的紊流，以缩减其后的边界层，使流离点向后移，而减少流体对于船舶产生的阻力，可提升船舶行进的速度或减少燃料的耗用。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1A及图1B为现有的船舶在水中航行时的水流示意图。
图2及图2A为本发明的扰流器的原理及构造说明示意图。
图3表示流体作用于本发明的扰流器的作用力图。
图4为层流(laminar flow)中边界层的示意图。
图5为紊流(turbulent flow)中边界层的示意图。
图6为水流经船舶时，船体表面的流线图。
图7为船体的艉端表面加装扰流器后的流线图。
图7A为图7中B部分的放大图。
图8表示扰流器本身对航行产生的阻力极小。
图9是本发明的扰流器设置在船舶单侧表面的示意图。
图10是发明的扰流器设置在船舶艉端底侧面的示意图。
图11是本发明的扰流器设置在船舶底部表面的示意图。
图12是本发明的各种扰流器的构造示意图。
图13是边界层(boundary layer)示意图。
图14是本发明的边界层层流受扰动后形成紊流的示意图。
1 船舶
100 船体
11、110 前端
12、120 船体最宽处
13、130 船体最深处
14、140 艉端
15 流离点
2 扰流器
21 作用面
31 边界层
32 层流的边界层
33 紊流的边界层
34 追迹流
A 水流方向与扰流器间的夹角
C、C’、C1、C2 水流
F 水流作用于扰流器的作用力
Fv 垂直于扰流器的分力
Fh 平行于扰流器的分力
F’ 扰流器的应变力
F” 水流自身的应变力
H 船舶前进方向
L 中心线
V 紊流
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更加明显了解，以下将举出实施例并配合所附附图做详细说明。
请参阅图2及图3，其表示本发明的扰流器在流体中移动时，该扰流器使流体产生的变化与效应。如图2A所示，扰流器(turbulence generator)2具有一作用面21，作用面21面向流体，用于与流体碰撞以产生紊流(turbulent flow)，并可用于引导水流转向，当船舶1于水流C中航行时，水流C与扰流器2具有一相对速度。如图2所示，当水流C流过扰流器2时，若扰流器2与水流C的流线呈一夹角A时，水流C会在扰流器2的后方产生较多的紊流，当扰流器2与水流C的流线呈0度角时，则会在扰流器2的后方产生较少的紊流。如图3所示，当水流C流至扰流器2产生碰撞时，水流C会对扰流器2的作用面21施力产生推力F，推力F可以分成垂直于扰流器2的分力Fv以及平行于扰流器2的分力Fh，垂直于扰流器2的分力Fv会对扰流器2产生法线方向的推力，由于扰流器2的体积相对于船体100的体积比例很小，因此分力Fv对扰流器2的侧向推力极小，而分力Fh为流体平行于扰流器2的作用力，不会形成对扰流器2的推力。
如上所述，由于扰流器2与水流C的流线具夹角(攻角)A时，水流C会在扰流器2的后方产生紊流V，因此可以将扰流器2设置在一船舶载具的后半部，如图7与图7A所示，在本发明的实施例中，可以将扰流器2设置在船体100两侧的最宽处120至艉端140之间的表面上，如图9所示。另外，如图11所示，除了船体100的侧表面行进时会产生边界层(boundarylayer)31，船体100的底部表面也会产生边界层31(请参阅图1A与图1B)，因此扰流器2也可以设置在船体100的吃水最深处130至艉端140之间的底部表面上。本发明的扰流器2可以设置多个，两相邻的扰流器2可以具有一间隔空间，排列成线形或其他配置形式，多个扰流器2也可以无间隔的方式串连设置成长条状，即多个扰流器2接触串连设置成长条状，以配合某些特殊的船体形状，如图9及图10所示。
请同时参阅图4与图5以及图14，其分别表示层流(laminar flow)的边界层32与紊流(turbulent flow)的边界层33，在层流的边界层32与紊流的边界层33中，水流C与船体100表面接触的黏滞层的流速为零，流体愈靠近船体表面的流速愈小，图中的箭号长度代表流速大小。由于紊流中水分子的动能较高，高动能水分子有向船体表面方向传递动能的特性，使接近船体表面处的水分子的动能增加，而使水流C’的流速增加，所以当紊流V形成后，紊流的边界层33的厚度比层流的边界层32缩小很多，也就是船体表面受水流的影响范围变小，这表示水流对船舶造成的阻滞力也会变小。
请参阅图6与图7，其表示水流C经过船体100时，由于船体100的前端110与艉端140呈尖形，所以水流C1通常在船体100的前半部(船艏段)偏转向下，经过船体100的最宽处120后，水流C2在船体100的后半部(船艉段)偏转向上，因此如图7A所示，当扰流器2呈水平设置时，即扰流器2的作用面21与船体100的中心线L呈0度角时，由于水流C在后半段向上偏转，会与扰流器2的作用面21形成夹角(攻角)A，故扰流器2下游的水流成为紊流V，借此，可减少边界层对于船体100产生的阻滞力，上述中心线(center line)L是指船体100的前端110的底部与艉端140的底部之间的中央连线。扰流器2的作用面21与中心线L的夹角A可以是小于60度；在本实施例中，扰流器2的作用面21与中心线L的夹角是0度。
另外，在船体100的后半部产生紊流V，可以增加水流作用在船体100的后半部的压力，而减少船体100的前半部与后半部的压力差，如此可以进一步减少船舶航行时由船体100的前后压力差所形成的阻力。
请参阅图8，其表示设置于船体100表面的扰流器2自身对船舶阻力的影响。因扰流器2的设置方向与船舶的中心线L概略平行，水流C作用于扰流器2的法线方向的应变力F’极小且不会影响船舶前进的速度，水流应变力F”与船舶1的航向H近乎一致，故扰流器2自身对船舶1产生的阻力极低。
在本实施例中，船体100的船模为长6.246m、船宽1.057m、吃水0.322m，扰流器2为角锥体，其长度为2～10cm，宽度为0.5～2cm，高度为0.5～1cm，但本发明的扰流器2的结构不限于此，也可以是矩形体、斜端面矩形体、梯形角柱体、三角锥体或半圆锥体等构造，如图12所示；扰流器2的体积与船体100的比例可依需求来选取适当的比例与体积。
在本实施例中，扰流器2可以贴附、嵌入或焊接于船体100的表面上，或与船舶1一体成型设置。扰流器2可为金属、塑胶、木材、竹材、玻璃、陶瓷或复合材料等制成。
请参阅图13及图14，图13为水流C流经船舶1的船体表面时所产生的边界层示意图，其中水流的速度愈靠近船体表面愈小，离开边界层31后的流速趋于相同。图14为本发明的扰流器2作用于层流的边界层32而形成紊流的边界层33的示意图，当船舶1设置本发明的扰流器2后，使层流受扰动后形成紊流，因此可减少边界层的厚度。
综上所述，本发明确可达到发明的预期目的，即利用船舶两侧的最宽处与艉端之间的表面上，或船舶底部的最深处与艉端之间的表面上所设置的扰流器产生紊流，以减少边界层的厚度，使流离点向后移并增加船舶艉部的压力，因而减少船舶于航行中所遭受的水阻力，故本发明可有效提升船舶航行的速度或减省燃料的耗用，确实具有实用价值无疑，而具备产业利用性、新颖性及进步性要件，故依法提出发明专利申请。
以上所述，仅为本发明较佳实施例，举凡依本发明权利要求的保护范围所作的均等设计变化，均应为本发明的保护范围所涵盖。

Claims (4)

1.一种减少船舶航行阻力的结构，其特征在于，所述减少船舶航行阻力的结构用于一船舶，所述船舶具有一前端以及一艉端，且所述船舶能于水流体中航行，所述船舶的所述前端的底部与所述艉端的底部之间形成一中心线，所述减少船舶航行阻力的结构包括多个扰流器，所述扰流器设置于所述船舶的两侧的最宽处与所述艉端之间的表面上，或所述扰流器设置于所述船舶的底部的吃水最深处与所述艉端之间的表面上，所述扰流器为角锥体且具有一作用面，所述扰流器的所述作用面与所述船舶的中心线呈60°以内的交角，所述扰流器的表面积为所述船舶的表面积的0.0015％～0.03％，多个所述扰流器中的两相邻的所述扰流器之间具有一间隔空间，或者各所述扰流器无间隔相互接触串连设置成长条状。
2.根据权利要求1所述的减少船舶航行阻力的结构，其特征在于，所述扰流器为矩形体、斜端面矩形体、梯形角柱体、三角锥体或半圆锥体构造。
3.一种具有减少航行阻力的结构的船舶，其特征在于，所述具有减少航行阻力的结构的船舶包括：
一船体，以及
多个扰流器，所述扰流器设置于所述船体的两侧的最宽处与艉端之间的表面上，或所述扰流器设置在所述船体底部的吃水最深处与所述艉端之间的表面上，所述扰流器为角锥体且具有一作用面，所述扰流器的所述作用面与所述船舶的中心线呈60°以内的交角，所述扰流器的表面积为所述船体的表面积的0.0015％～0.03％，多个所述扰流器中的两相邻的所述扰流器之间具有一间隔空间，或者各所述扰流器无间隔相互接触串连设置成长条状，通过所述扰流器的设置以产生紊流能使所述船舶航行时的阻力减小。
4.根据权利要求3所述的一种具有减少航行阻力的结构的船舶，其特征在于，所述扰流器为矩形体、斜端面矩形体、梯形角柱体、三角锥体或半圆锥体构造。
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