CN110053705B - 一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法及装置，包括圆盘空化器、支柱结构、环形空化器、下潜体、导气瓦、引气槽和排气孔；所述圆盘空化器轴线向下倾斜，环形空化器布置在支柱结构前缘后，支柱结构布置在下潜体的中间段，所述环形空化器后设置有通气装置，所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°。本发明所述的头部圆盘空化器轴线设置一定的攻角，可以抵消部分重力效应对空泡形态的影响；本发明所述的多截面通气减阻方法和装置采用多个空化器并用。避免了支柱对空泡的干扰，减弱了重力上漂以及通气超空泡的不稳定性等不良因素对空泡的影响。

Description

一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法及装置
技术领域
本发明涉及一种水面艇的通气方法及装置，尤其涉及一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法及装置，属于船舶应用技术领域。
背景技术
小水线面双体船具有常规船难以达到的良好的耐波性，但由于沾湿表面积很大，摩擦阻力在总阻力中占据很大比例，并随速度呈二次关系增长。但小水线面双体船具有了鱼雷型的水下潜体结构，而且超空泡减阻技术在鱼雷减阻方面有着十分明显的效果，因此为了提高航行体的航速,改善航行体的性能,可以将超空泡减阻技术应用在小水线面双体船型上。
超空泡减阻技术的减阻效果明显且受航行条件影响较小。通常情况下，产生空泡的方式分为自然空化和通气空化。由于动力装置推力不足，导致航行体的速度达不到产生自然空泡的条件，或者产生的空泡较小，所以在低速情况下，运用通气空化更容易形成超空泡
目前有一种人工通气超空泡船型技术，只在下潜体前端布置了单个空化器和通气装置，产生一个包裹下潜体的超空泡。这种布置形式未考虑到支柱结构对超空泡形态的干扰，支柱附近的压强分布会严重干扰空泡流，使沾湿面积增大，导致减阻效果不好。同时由于目前推动装置发展的不足，航行体速度无法达到预计的要求，产生的超空泡存在不稳定的问题，且生成的空泡的尺寸也不满足目的要求。而且由于重力的作用，单个空泡也存在上漂的现象，导致船体沾湿不均匀，受力不稳定。使整个航行体的的动稳定性成为极大的问题。
因此，设计出一种针对带有支柱的小水线面双体船型减阻的有效方法是很必要的。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种减小沾湿面积，降低摩擦阻力和压差阻力的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法及装置。
本发明的目的是这样实现的：
一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，在下潜体上设置空化器，
首先确定空化器的个数，所述空化器的个数通过航行速度、空泡的稳定性情况以及空化数大小来确定；
然后确定空化器的尺寸；所述空化器的尺寸通过下潜体的长度及截面尺寸来确定；
最后确定空化器的布局位置，所述空化器的布局位置根据空泡长度及考虑支柱对其稳定性的影响来确定。
本发明还包括这样一些特征：
1.所述空泡长度根据logvinovich独立扩张原理得到；
2.包括圆盘空化器、支柱结构、环形空化器、下潜体、导气瓦、引气槽和排气孔；所述圆盘空化器轴线向下倾斜，环形空化器布置在支柱结构前缘后，支柱结构布置在下潜体的中间段；
3.所述环形空化器后设置有通气装置；
4.所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°；
一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，包括下潜体和设置在下潜体上的空化器；所述空化器包括圆盘空化器或环形空化器，所述圆盘空化器设置在下潜体的前端且轴线向下倾斜、所述环形空化器设置在下潜体的中部，所述空化器的数量至少为两个。
所述空化器后端设置有通气装置；
所述圆盘空化器的背流面设置有引气槽、排气孔和导气瓦，所述引气槽设置在下潜体内，所述排气孔设置在下潜体上，所述导气瓦设置在排气孔的外部，气体通过引气槽、排气孔和导气瓦流出；
还设置有支柱结构，所述支柱结构设置在下潜体的中部，所述环形空化器设置在支柱结构的前缘后；
所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°。
本发明具体涉及应用于带支柱双体船的一种多截面通气减阻方法。在下潜体上布置头部圆盘空化器和多个环形空化器，并同时对多个空化器进行通气，形成多个相互串联的超空泡包裹住水下航行体，减小沾湿面积，降低摩擦阻力和压差阻力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的头部圆盘空化器轴线设置一定的攻角，可以抵消部分重力效应对空泡形态的影响；
本发明所述的多截面通气减阻方法和装置采用多个空化器并用。避免了支柱对空泡的干扰，减弱了重力上漂以及通气超空泡的不稳定性等不良因素对空泡的影响；
本发明所述的头部圆盘空化器及环形空化器后都布置了通气装置，使空化器在低速情况下也可以产生多个超空泡；
本发明所述的环形空化器的侧视图为等腰梯形，且两个底角为45°，即环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°。
附图说明
图1是多截面通气减阻装置布局图；
图2是多截面通气减阻装置通气装置与支柱前缘位置布局图；
图3是多截面通气减阻装置的通气装置下潜体外观图；
图4-1、4-2是多截面通气减阻装置头部圆盘空化器通气装置的示意图和剖面图；
图5-1、5-2是多截面通气减阻装置的通气装置环形空化器的主视图和测视图；
图6-1、6-2是多截面通气减阻装置环形空化器通气装置的示意图和剖面图；
图7是环形空化器形成超空泡的外观图；
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的方案是：第一，为了使下潜体自身引起的外形阻力最小，其长细比一般设计为11～21之间。下潜体由前部圆锥，中部圆柱，尾部倒圆锥的三段式轴对称回转体构成。通过下潜体各部分长度之间的关系、下潜体设计的一般规律以及下潜体的长细比，确定下潜体具体尺寸；下潜体头部布置圆盘空化器，并在圆盘空化器后设置了通气气道。圆盘空化器的尺寸根据下潜体的长度及截面尺寸进行设计。为了抵消部分重力效应对空泡形态的影响，可以通过将空化器设置一定的攻角使空泡轴线向下倾斜。采用空化器人工通气技术，使航行体表面生成空泡，并进一步发展成超空泡，同时使得对空泡的控制成为可能；在下潜体中间加装环形空化器，受双空泡流型理论的启示，即超空泡主体仅包裹住部分航行体，由尾部泄出的气在航行体尾部低压区聚集成一个新的空泡，这种闭合模式称为Brilluenescheme模式。通过使环形空化器的背流面形成低压区域的方式，使头部空泡泄出的气体在此低压区重新聚积生成新的夹带空泡。随后，通过在空化器的背流面开设环形通气槽继续辅助通气，就可以进一步延长该空泡的长度，尽可能多的包裹下潜体，达到减小航行沾湿面积并减小阻力的目的；第四，环形空化器生成的超空泡的最大直径以及最大截面积可以根据logvinovich独立扩张原理确定，即对于高速运动物体形成的超空泡，空泡的每一个固定的横截面都相对于空化物体中心运动轨迹按相同的规律扩张，扩张的规律依赖于空化物体通过该截面所在平面时刻的条件：空化物体的尺度、速度、阻力及无限远处与空泡内的压力差。针对本文的航行速度，考虑到空泡受浮力和上漂等因素的干扰和通气超空泡的稳定性因素的影响，可以确定应布置的环形空化器个数，各空化器间的距离依据建立的通气超空泡参数及稳定性条件进行设计。这样就使得产生的超空泡的不稳定性问题得以解决；
本发明多截面减阻方法和装置的应用范围面向不同的设计速度，且针对不同的设计速度对应有最合理的环形空化器个数及环形空化器布局。
本发明为应用于高速水面艇的多截面通气方法，包括圆盘空化器(1)、支柱结构(2)、环形空化器(3)、(4)、(5)，下潜体(6)，导气瓦(7),引气槽(8),排气孔(9)。圆盘空化器轴线向下倾斜。环形空化器个数根据通气空泡的稳定性情况、以及空化数大小来确定。环形空化数的位置根据logvinovich独立扩张原理确定得到的空泡长度及考虑支柱对其稳定性的影响进行布局。并要求环形空化器的个数及布局对下潜体带来的附加阻力最小，且要避免各环形空化器生成的通气空泡间相互融合产生干扰；
实施例1：
以航速40节，布置3个环形空化器的情况进行详细说明。
通过圆盘空化器(1)和环形空化器(3)、(4)、(5)产生四个相互串联的超空泡，分别包裹由自身到下一个空化器之间的部分。环形空化器(3)布置在支柱结构(2)前缘后的一小段距离。避免支柱结构(2)对环形空化器生成的空泡产生干扰。进而减小沾湿面积，减小支柱对超空泡稳定性的干扰，达到减小阻力的目的。支柱结构(2)布置在下潜体(6)的圆柱段，方便生产和加工。气体通过引气槽(8)输送到各排气孔(9)，之后沿着各空化器背流面的导气瓦(7)流出；
所述的圆盘空化器(1)轴线设置一定的攻角。
所述的下潜体(6)上布置的3个环形空化器(3)、(4)、(5)后都诱导产生了一个互不干扰的超空泡；
所述的下潜体(6)上根据空泡长度公式及空泡稳定性公式布置的3个环形空化器(3)、(4)、(5)；
所述的下潜体(6)在环形空化器(3)、(4)、(5)后的通气装置上布置了排气孔；
所述的环形空化器(3)、(4)、(5)的侧视图为等腰梯形，且两个底角为45°，即环形空化器(3)、(4)、(5)的迎流面与来流方向夹角为45°；
如图1、2、3所示，对水下潜体进行设计，根据超空泡自身特性及航行体减阻要求，将下潜体设置成细长回转体，航行体长度L1+L2+L3+L4和圆柱段直径D的比值取λ在11～21之间。航行体的前锥段半锥角兼顾结构和空泡生成的需要，设计成4°～4.5°。根据前锥段长度与圆柱段直径D关系，确定前锥段长度L1。航行体的中体圆柱段长度占航行体长度的45％，即得到L2+L3的长度。最后得到尾部倒圆锥段的长度L4。针对特定航行速度的一种实施例，考虑到重力效应及上漂现象及通气超空泡稳定性问题对空泡的影响，在下潜体上布置三个环形空化器。为了保证空泡参数一致，考虑到生成的空泡应尽可能多的包裹住航行体达到减阻目的，四个空化器的距离应该基本相等，将下潜体圆柱段分别等间距布置三个环形空化器。
如图4-1、4-2所示，头部布置圆盘空化器，圆盘空化器的直径，一般取圆柱段直径D的五分之一即d。圆盘空化器的背流面布置人工通气装置，包括引气槽、导气瓦和排气孔。通气流量利用一个气道集中通入空泡内，并在气道上向头部圆盘空化器方向和其他侧向两路开通气孔，第一路侧向位置距圆盘空化器的距离为2d，第二路通气流道位置距空化器的距离为3d。采用一路向前通气，气体通过引气槽及排气孔从圆盘空化器的背流面沿着导气瓦流出；两路侧向通气，气体经过通气管道及排气孔从环形空化器的背流面沿导气瓦流出。
如图7所示，根据logvinovich独立扩张原理，可以确定生成的超空泡的最大直径以及最大截面积。进而确定空泡闭合的位置，下一个空化器设置在前段空化器产生空泡之后的一小段距离，使航行体的沾湿面积达到最小，达到最好的减阻效果。
如图2所示，支柱布置在下潜体的圆柱段，便于加工生产。为了避免支柱前缘的高压区，环形空化器(3)布置在支柱前缘的后方，即圆柱段与头部圆锥段交界处，基于结构简单的原则并且为了保证生成空泡的参数尽量一致，环形空化器(4)布置在圆柱段中间，环形空化器(5)布置在圆柱段与变直径台阶段后体交界处。
如图5-1、5-2、6-1、6-2所示，由于支柱前缘的压力场对空泡流的影响很大，导致航行体沾湿面积增多，不利于航行体减阻，这反过来又限制了航行速度的进一步提高。因此产生多个空泡就能够减小空泡长度并减弱通气超空泡不稳定现象，同时避免了空泡流受到支柱前缘压力场干扰。因此对环状空化器进行设计，三个环形空化器采用相同设置方法，在环形空化器的背流面设置排气孔和引气槽，为形成的超空泡内部通气，使超空泡稳定。环型空化器的侧视图为等腰梯形，且两个底角为45°，即环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°，使环形空化器自身引起的阻力达到最小。
设计保证空泡稳定的通气方案，方案设计时，考虑速度、通气率、通气量及通气压力等因素。同时开展通气控制方案研究，依据该速度条件下空泡压力变化，给出维持空泡稳定的控制方案，该方案要考虑三个系统：供气系统、数据采集及控制系统。建立空泡失稳的临界条件，给出该速度下满足空泡稳定要求的通气率、通气量及通气压力的通气方案。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
综上所述：本发明为应用于高速水面艇的多截面通气方法及装置，包括圆盘空化器(1)、支柱结构(2)、环形空化器(3)，(4)，(5)，下潜体(6)，导气瓦(7),引气槽(8),排气孔(9)。圆盘空化器轴线向下倾斜。通过圆盘空化器(1)和环形空化器(3)、(4)、(5)产生四个相互串联的超空泡，分别包裹由自身到下一个空化器之间的部分。环形空化器(3)布置在支柱结构(2)前缘后的一小段距离。避免支柱结构(2)对环形空化器生成的空泡产生干扰。进而减小沾湿面积，减小支柱对超空泡稳定性的干扰，达到减小阻力的目的。支柱结构(2)布置在下潜体(6)的圆柱段，方便生产和加工。气体通过引气槽(8)输送到各排气孔(9)，之后沿着各空化器背流面的导气瓦(7)流出。

Claims (8)

1.一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，在下潜体上设置空化器，
首先确定空化器的个数，所述空化器的个数通过航行速度、空泡的稳定性情况以及空化数大小来确定；
然后确定空化器的尺寸；所述空化器的尺寸通过下潜体的长度及截面尺寸来确定；
最后确定空化器的布局位置，所述空化器的布局位置根据空泡长度及考虑支柱对其稳定性的影响来确定，包括圆盘空化器、支柱结构、环形空化器、下潜体、导气瓦、引气槽和排气孔；所述圆盘空化器轴线向下倾斜，环形空化器布置在支柱结构前缘后，支柱结构布置在下潜体的中间段。
2.根据权利要求1所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，所述空泡长度根据logvinovich独立扩张原理得到。
3.根据权利要求1或2所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，所述环形空化器后设置有通气装置。
4.根据权利要求1或2所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°。
5.根据权利要求3所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°。
6.一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，包括下潜体和设置在下潜体上的空化器；所述空化器包括圆盘空化器或环形空化器，所述圆盘空化器设置在下潜体的前端且轴线向下倾斜、所述环形空化器设置在下潜体的中部，所述空化器的数量至少为两个，所述圆盘空化器的背流面设置有引气槽、排气孔和导气瓦，所述引气槽设置在下潜体内，所述排气孔设置在下潜体上，所述导气瓦设置在排气孔的外部，气体通过引气槽、排气孔和导气瓦流出，还设置有支柱结构，所述支柱结构设置在下潜体的中部，所述环形空化器设置在支柱结构的前缘后。
7.根据权利要求6所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，所述空化器后端设置有通气装置。
8.根据权利要求6或7所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°。
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