CN110304193B - 一种船舶反气泡减阻方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶反气泡减阻方法及系统，包含：反气泡发生装置，用于产生反气泡，反气泡发生装置中存储有第一液体，通过向反气泡发生装置中充入气体并设定速度滴入第二液体使反气泡发生装置中的液面产生悬浮液滴，加快滴入速度将悬浮液滴送入海水中，形成反气泡；所述反气泡为液体中含有气膜且气膜内包有液体的气液结构；反气泡传输装置，将反气泡发生装置产生的所述反气泡传输到船体表面上。本发明通过用反气泡来代替气泡来实现船舶减阻，是一种新的减阻方法；通过设计特殊的反气泡发生装置产生反气泡，从而实现了船舶减阻。

Description

一种船舶反气泡减阻方法及系统

技术领域

本发明涉及船舶气泡减阻领域，具体涉及一种船舶反气泡减阻方法及系统。

背景技术

在全球范围内，船舶气泡减阻技术已经研究了几十年，但目前尚未在船舶上得到广泛应用，大部分研究还处于模型试验阶段，该技术存在以下问题：

1)当其被应用于高速船舶时，船舶高速航行时空气阻力很大，船艇的水摩擦阻力仅为总阻力的20％～30％，因此气泡减阻实际效果不大。而且，由于船艇主机功率小，节能效果和低碳社会效益低于大功率的运输船。

2)低速运输船在航行时，由于其速度不高，部分气泡来不及覆盖船体便已逃逸，气泡有效覆盖面积较小，减阻效果下降。同时，低速运输船往往具有较深的吃水，随着船舶吃水的增加，船舶侧面与水的接触面积增大，底部阻力在全部摩擦阻力占比减小，减阻效果大打折扣，而侧面使用气泡减阻时气泡容易逃逸，如果想得到较为理想的减阻效果就需要很大的喷气量，这本身就要耗费大量的能量，使得整体的节能效果不佳。

3)气泡扩散进入螺旋桨，即混有气体的水流进入螺旋桨的功能区，会严重干扰螺旋桨的功能，加快螺旋桨的剥蚀，给螺旋桨结构带来损害，使船舶推进效率降低。

4)气泡破裂时，会对船体造成较大的穴蚀，造成船体表面漆层的脱落，很多船东因此对采用这种方案持谨慎的态度。

本发明将反气泡应用于船舶气体减阻，是一种方法上的创新。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船舶反气泡减阻方法及系统，采用反气泡发生器且反气泡发生器将沿着船体的纵向布置，根据反气泡的稳定时间，将沿船体纵向重新布置，更全面地覆盖于船体，使船体得到最佳减阻效果；本发明还在船体的侧面、船头和螺旋桨处也布置反气泡发生器，这种布置相对于气泡减阻是一种创新，其中，在螺旋桨处布置反气泡，一方面可以使螺旋桨的背水面的阻力减少，在迎水面，反气泡产生的穴蚀很少，避免气泡对螺旋桨的破坏；本发明也可以应用于潜艇、鱼雷等其他在水中运动的物体。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种船舶反气泡减阻系统，包含：

用于产生反气泡的反气泡发生装置，存储有一定量的第一液体；

用于传输船舶主机冷却器中的第二液体的存储装置，其与所述反气泡发生装置联通，将第二液体供给至所述反气泡发生装置，然后通过向所述反气泡发生装置中充入气体并以设定速度滴入所述第二液体，使所述反气泡发生装置中的液面产生悬浮液滴，当加快滴入速度将悬浮液滴送入海水中，形成反气泡；所述反气泡为液体中含有气膜且气膜内包有液体的气液结构；

反气泡传输装置，将所述反气泡发生装置产生的所述反气泡传输到船体表面上。

优选地，所述船舶反气泡减阻系统布置在船舶底部，或船舶两侧，或船头，或船舶螺旋桨上。

优选地，所述船舶反气泡减阻系统在船舶纵向方向上按设定距离间隔布置，所述船舶反气泡减阻系统在船舶横向方向上的布置方式可调。

优选地，所述船舶底部的两侧布置有纵向的隔板。

优选地，所述反气泡传输装置置于船底上。

优选地，所述第二液体为冷却水，所述第二液体的温度高于所述第一液体。

优选地，所述第二液体与所述第一液体之间的温度差通过一温度控制器进行控制，所述第二液体与所述第一液体的温度差为20摄氏度。

本发明还提供了一种基于上文所述的船舶反气泡减阻系统的船舶反气泡减阻方法，该方法包括反气泡的产生过程和反气泡的传输过程；

所述反气泡的产生过程包含以下步骤：

S11：向反气泡产生装置内的第一液体充入一定压力的气体，使得第一液体的液面保持稳定；

S12：在所述反气泡发生装置的第一液体中按照一定速度滴入经过温度控制器调节的第二液体，使液面上产生悬浮液滴；

S13：加快滴入速度，将悬浮液滴送入水中，形成反气泡；

S14：继续重复所述步骤S12和步骤S13，连续生成反气泡；

所述反气泡的传输过程包含以下步骤：

S21：将混有反气泡的第一液体利用泵将其泵送到距离船体表面一定的位置；

S22：船舶向前运动，水流将反气泡向后吹，布置在反气泡传输装置后部位置。

优选地，所述第二液体为经船舶主机冷却器的冷却水，所述第二液体的温度高于所述第一液体。

优选地，所述步骤S14中，若反气泡的生成不顺利，通过调节充气压力和温度调节开关，再继续重复S12和S13，直到连续生成反气泡。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包含以下一项：

(1)反气泡的气膜厚度仅有几个微米，用气量很小，因此反气泡应用于气泡减阻可在产生相同减阻效果的同时大幅减少用气量，降低运行费用。

(2)气膜厚度小，反气泡破裂时产生的冲击力很小，可降低破裂对船体和螺旋桨的空蚀破坏；当反气泡到达螺旋桨处时，在螺旋桨的背水面时可以提高螺旋桨补充水的效率，降低摩擦阻力，当到达螺旋桨的迎水面时，迅速破裂，又不影响其推水效率；同时，螺旋桨处的反气泡还可驱走附近的空泡，降低空蚀损坏。

(3)当反气泡伴随船体向前运动时，内泡会产生旋转，根据理论力学可知，高速旋转的内泡具有方向的稳定性，因此反气泡不容易逃逸，从而减少了反气泡的需求量。

附图说明

图1为本发明船舶反气泡减阻装置正视图；

图2为本发明的反气泡示意图；

图3为本发明的气泡示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的船舶反气泡减阻系统包含反气泡发生装置1和反气泡传输装置2，反气泡发生装置1负责稳定地产生反气泡3，反气泡传输装置2连接在反气泡发生装置1下方，负责将产生的反气泡3传输到船体表面上。船舶反气泡减阻系统可布置在船底部，反气泡传输装置2置于一块大平板4(即代表船底)上。

本实施例中，气泡产生装置1存储有一定的海水，并通过向反气泡产生装置1里面的海水充入一定压力的气体，使得该海水的平面保持稳定，且以一定速度滴入主机冷却水，使海水液面上产生悬浮液滴，并稍微加快滴入速度，将悬浮液滴送入水中，从而形成反气泡；继续重复上述步骤，即可连续生成反气泡。

如图2和图3结合所示，与正常的气泡相比，反气泡是液体中含有气膜，气膜内又包有液体的一种特殊的气液结构。由于反气泡内部含有一个液滴，其平均密度远远大于气泡，所以反气泡在应用于船舶底部减阻的时候，由于反气泡接近于水的密度，不容易逃逸。因此，反气泡在船舶底部的覆盖率大于气泡，实际的减阻效果可观。

从反气泡减阻的机理上来说，如图1所示，一块大平板4代表船底，在没有反气泡的时候，可以将船体和水表面产生的阻力视为滑动摩擦。当引入反气泡时，船舶在前进时，带动的是反气泡的外部液膜，此时反气泡内部的液滴相对静止，这就将船体与水表面的滑动摩擦变成滚动摩擦，极大地减小了船舶表面的摩擦阻力。

本实施例中，可以使用船舶主机冷却器的冷却水，其是一种船舶余热利用方法。待需要使用的时候，该船舶主机冷却器的冷却水先流经一个储存装置，储存装置通过连接一温度控制器，用来调节其中的冷却水的温度，储存装置再将调节温度后的冷却水供给反气泡发生装置。因为在产生反气泡的时候，用高于被滴溶液(即气泡产生装置1内存储的海水)约20摄氏度温度的滴入溶液(即待滴入的主机冷却水)去滴，反气泡不容易破裂，所以通过使用船舶主机冷却系统的冷却水，再加上温度控制器，控制滴入溶液和被滴溶液之间的温度差。

在船舶反气泡减阻系统进行布置的时候，不仅只是布置在船底部，还可以布置在船舶两侧、船头和船舶螺旋桨上。其中，这里所述的船底部是指除底部龙骨、旁龙骨、肋骨等承重构件处不能布置，其余部位可适量分布。所述的船舶两侧是指布置在船舶吃水线附近。所述船头是指将船舶反气泡减阻装置布置在球鼻艏处。所述船舶螺旋桨是指在螺旋桨两面都进行布置。

其中，考虑到船舶底部龙骨、旁龙骨、肋骨等承重构件处不能布置是因为会对这些部件的强度造成影响。

另，由于反气泡的气膜厚度仅有几个微米，所以反气泡的密度和水的密度很接近，能够保持在反气泡反生装置传出来的时候，更好地在船舶表面附近停留，不容易发生逃逸，因此船舶反气泡减阻系统还可以布置在船舶两侧和船头。

若船舶反气泡减阻系统布置船舶螺旋桨时，当反气泡在螺旋桨的背水面时，还可以提高螺旋桨补充水的效率，降低摩擦阻力；当反气泡到达螺旋桨的迎水面时，迅速破裂，又不影响其推水效率；同时，螺旋桨处的反气泡还可驱走附近的空泡，降低空蚀损坏。

对于船舶反气泡减阻系统的布置形式：在船舶纵向方向上，因根据反气泡的寿命、船速、按照一定距离间隔布置；在船舶横向方向上，对于不同船型，要根据具体实验来调整，具体如下：

a、海船：海船相较于内河船，船底面积较大，航速较高，故反气泡减阻装置的布置更加复杂，也需要更加严密；在船底、船两侧以及船头位置、螺旋桨位置都需要严密规划，根据船舶主要航线的气候与海水密度进行不同的布置。含盐量对反气泡的稳定性有极大影响，海水中含盐量越高，反气泡稳定时间越长。

b、内河船：内河船主要行驶于内陆江河中，反气泡减阻装置可大致相同，布置于船头与船两侧，以及螺旋桨上也可布置。

对于不同的船型，船身比重不一样，船底曲度也不同，所以在船底船两侧对于反气泡排出管的布置需要精心设计，比如集装箱船，船底又宽又大，需要在船底布置较大面积的减阻装置排出口；又比如液化气体船，采用球鼻艏结构，故需在船头处专门布置，且加大反气泡产生量，因为船头是顶风顶浪处，反气泡的消耗很快。

为了防止反气泡的逃逸，根据不同船型，应该在船舶底部两侧布置纵向的隔板。因为，高速船与低速船航行速度不同，故船底反气泡逃逸速度不同，根据不同的船型布置不同的纵向隔板，可大大减小反气泡的逃逸速度，从而起到更好的反气泡减阻作用。

本实施例中，反气泡存在于液体中时，由于其结构特殊，但是两相流性质与气泡类似，也可以起到减小船体周围水流粘性，减小摩擦阻力的效果。

除了减小水的粘度外，反气泡还具有自旋性，这与气泡简单地附着在船体表面不同。反气泡可以在水面起到“滚珠轴承”的效果，滑动摩擦仅局限于气体层，气体的滑动阻力又特别小。如图1所示，当大平板4向前(即船头方向)运动时，由于反气泡本身的结构特点，在流体粘性及摩擦力的作用下，反气泡会发生逆时针自旋，排布在大平板4下的反气泡会同时完成传递工作，从而将水面的滑动摩擦阻力转化为水面的滚动阻力，预计阻力将大大降低。

本发明以船舶减阻为目标，还公开了一种舶舶反气泡减阻方法，包括以下步骤：

(一)S1：反气泡的产生，如下：

S11：首先向反气泡产生装置里面的海水充入一定压力的气体，使得海水的平面保持稳定；

S12：将船舶主机冷却器的冷却水经过温度控制器调节后以一定速度滴入海水，使液面上产生悬浮液滴；

S13：稍微加快滴入速度，将悬浮液滴送入水中，从而形成反气泡；

S14：继续重复步骤S12和步骤S13，从而连续生成反气泡；其中，如果反气泡的生成不顺利，可以调节充气压力和温度控制器，再继续重复S12和S13，直到连续生成反气泡。

(二)S2：反气泡的传输，如下：

S21：将混有反气泡的海水，用泵将其送到距离船体表面一定的位置；

S22：由于船舶向前运动，水流将反气泡向后吹，从而布置在反气泡传输装置出口后部的位置。

综上所述，本发明公开了一种船舶反气泡减阻方法及系统，利用反气泡来代替气泡来实现船舶减阻，并通过设计特殊的反气泡发生装置产生反气泡，再通过传输装置将反气泡运输到船舶底部，使反气泡尽量能够均匀地分布在船体表面的边界层内，从而实现了船舶减阻。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种船舶反气泡减阻系统，其特征在于，包含：

用于产生反气泡(3)的反气泡发生装置(1)，存储有一定量的第一液体；

可传输船舶主机冷却器中的第二液体的存储装置，其与所述反气泡发生装置(1)联通，将第二液体供给至所述反气泡发生装置(1)，然后通过向所述反气泡发生装置(1)中充入气体，使第一液体的平面保持稳定，并以设定速度滴入所述第二液体，使所述反气泡发生装置(1)中的液面产生悬浮液滴，当加快滴入速度将悬浮液滴送入海水中，形成反气泡；所述反气泡为液体中含有气膜且气膜内包有液体的气液结构；

反气泡传输装置(2)，将所述反气泡发生装置(1)产生的所述反气泡(3)传输到船体表面上。

2.如权利要求1所述的船舶反气泡减阻系统，其特征在于，

所述船舶反气泡减阻系统布置在船舶底部，或船舶两侧，或船头，或船舶螺旋桨上。

3.如权利要求1所述的船舶反气泡减阻系统，其特征在于，

所述船舶反气泡减阻系统在船舶纵向方向上按设定距离间隔布置，所述船舶反气泡减阻系统在船舶横向方向上的布置方式可调。

4.如权利要求1所述的船舶反气泡减阻系统，其特征在于，

所述船舶底部的两侧布置有纵向的隔板。

5.如权利要求1所述的船舶反气泡减阻系统，其特征在于，

所述反气泡传输装置(2)置于船底上。

6.如权利要求1所述的船舶反气泡减阻系统，其特征在于，

所述第二液体为冷却水，所述第二液体的温度高于所述第一液体。

7.如权利要求1所述的船舶反气泡减阻系统，其特征在于，

所述第二液体与所述第一液体之间的温度差通过一温度控制器进行控制，所述第二液体与所述第一液体的温度差为20摄氏度。

8.一种基于如权利要求1-7任意一项所述的船舶反气泡减阻系统的船舶反气泡减阻方法，其特征在于，该方法包括反气泡的产生过程和反气泡的传输过程；

所述反气泡的产生过程包含以下步骤：

S11：向反气泡产生装置内的第一液体充入一定压力的气体，使得第一液体的液面保持稳定；

S12：在所述反气泡发生装置(1)的第一液体中按照一定速度滴入经过温度控制器调节的第二液体，使液面上产生悬浮液滴；

S13：加快滴入速度，将悬浮液滴送入水中，形成反气泡；

S14：继续重复所述步骤S12和步骤S13，连续生成反气泡；

所述反气泡的传输过程包含以下步骤：

S21：将混有反气泡的第一液体利用泵将其泵送到距离船体表面一定的位置；

S22：船舶向前运动，水流将反气泡向后吹，布置在反气泡传输装置后部位置。

9.如权利要求8所述的船舶反气泡减阻方法，其特征在于，

所述第二液体为经船舶主机冷却器的冷却水，所述第二液体的温度高于所述第一液体。

10.如权利要求8所述的船舶反气泡减阻方法，其特征在于，

所述步骤S14中，若反气泡的生成不顺利，通过调节充气压力和温度调节开关，再继续重复S12和S13，直到连续生成反气泡。

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