CN111295326B - 改善海洋船舶流体动力学轮廓的方法、船舶和覆层系统 - Google Patents

Abstract

一种用于改善具有焊缝的海洋船舶的流体动力学轮廓和污染特性的方法，该焊缝形成在船舶水线以下的表面上突起的焊帽。该方法包括通过将整流件应用到水下表面来修正焊缝，例如通过使用填充物。一种具有整流件的船舶以及一种用于船舶并且包括整流件的覆层系统。

Description

改善海洋船舶流体动力学轮廓的方法、船舶和覆层系统

技术领域

本发明总体上涉及海洋船舶的流体动力学特性，特别地是在船水线以下的外表面上延伸有焊缝的船舶的流体动力学特性。本发明还涉及一种覆层系统，特别地是用于改善船舶水下表面流体动力学特性的防污覆层系统。

背景技术

暴露在海水中的水下结构会受到海中生物体的污染，比如绿藻和褐藻、藤壶、蚌类、管虫等。在诸如船舶、石油平台、浮标等之类的海洋构造上是不希望发生污染的，因为这可以导致表面的生物地退化、增加负载和加速腐蚀。这种污染在船舶上会导致牵引阻力增大，从而会造成减速和/或燃料消耗增加。这还可以导致机动性降低。

在早期的钢结构船舶中，布置板材来形成搭接连接部并通过铆钉组装。海洋船舶的焊接船体已经存在几乎一个世纪。焊接是通过熔融将金属板连接在一起的制造工艺。

典型地，这些板以对接连接布置从而避免了搭接的显著台阶部。在该位置，板边缘处的基材被熔化并且典型地添加附加材料。正确实施的焊接工艺得到的焊缝限定有焊帽，该焊帽的高度是受与船舶船体有关的质量和强度要求和板厚度等支配的。焊帽相对于搭接的典型台阶部是较低的，并且正确形成的焊缝的焊帽的形状通常是平滑的和圆顺的。

对于需要具有特别精致外观的应用，例如在昂贵的超等游艇和游船的水线上方，有时会将水线以上的焊缝的焊帽进行研磨直到其与钢板的表面平齐或者将水线以上的整个船体进行涂覆以覆盖表面的不规则。这种工艺纯粹是出于美学原因，从结构的角度看可能是不理想的。

焊接工艺虽然为连接板材提供了坚固且简单的方式，但是其相比于诸如铆接等之类的非加热组装工艺具有某些缺陷。由于强烈的热输入，在焊缝两侧形成热影响区(HAZ)。在该区域中，金属的结构可能已经改变。因此，确保合适的保护、尤其是在焊缝和热影响区确保合适的保护在船舶制造中是一个重要的方面。

为了确保覆层的层厚度，在对整个焊接的船舶结构进行喷涂之前通常通过刷子对焊缝进行条状覆层。这种工艺是耗时和昂贵的。

除了热影响区的方面，水线以下的焊缝有时会与污染相联。不受理论约束，据信这种污染可以由通过焊接的角部形成的锚点或者焊接部附近的流动条件造成，典型地，甚至在谨慎地采取防污措施时也会发生污染。

发明内容

为了减小阻力从而减少燃料消耗，或者潜在地增大船舶的速度和/或为了保护焊缝和焊接船舶船体的相关热影响区，和/或为了降低焊接船舶的覆层成本和/或为了改善覆层质量和/或为了减少污染，本发明提供了一种根据权利要求1所述的方法、根据权利要求10所述的船舶和根据权利要求13所述的覆层系统。

正如之前提到的，焊缝形成了平滑圆顺的焊帽，因此在流体动力学特性方面已经具有优于搭接的形状。根据第一方面，提供了一种通过应用整流件而在焊缝处修正船舶轮廓的方法。这可以进一步减小阻力。此外，轮廓的修正改变了焊缝周围的流动条件，从而可以减少污染。

在本文中，术语整流件被认为是抵靠焊缝和抵靠水下表面定位的元件，从而修正了焊缝处的船舶轮廓。此外，整流件可以保护焊缝和热影响区，尤其是防止可以导致焊缝处腐蚀的水的侵入。此外，轮廓的改变可以改变焊缝处的防污特性。

在第一组实施方式中，整流件可以由附接到焊缝的预限定元件构成，例如刚性元件或柔性可弯曲元件，例如是粘结带的形式，例如聚合材料的挤制轮廓，或者是例如复合材料、金属、木材或塑料的刚性元件。在该组实施方式中，该方法包括附接整流件的步骤，例如通过粘结方式附接到水下表面和/或附接到焊缝，可选地，在附接整流件之前通过清洁表面和/或为表面覆底层来使表面做好附接准备，可选地，通过在整流件上提供覆层例如污染表面覆层系统来为附接做好准备。

该预限定元件可以例如在卷辊上提供，该元件沿着焊缝退卷。通过使用粘结剂可以将其连接到水下表面。可以用其将焊缝完全盖住，或者其可以附接成使得仅焊缝的一部分被覆盖。其可以仅沿焊缝的一侧延伸，或者其可以沿着焊缝的两侧延伸。

整流件可以是实心的，或者其可以是空心的或者多孔的以减小重量和材料消耗。

特别地，整流件可以应用到完全完工的焊缝上，即在焊接工艺完成之后，优选地，整流件在焊接材料冷却低至常温之后应用。

特别地，整流件可以在船舶的整个使用期内保持在所述表面上，尤其是在操作船舶时其保持在船舶的水下表面上，使得其能够通过改善船舶的流体动力特性来减小燃料消耗。

在第二组实施方式中，整流件由填充物构成，该方法包括将填充物以未固化的状态施加到水下表面，使填充物在焊缝上成形，并使填充物固化以限定整流件。

同样关于第二组实施方式，整流件应用到完全完工的焊缝，例如在焊接材料已经冷却低至常温之后，并且在操作船舶期间保持以改善船舶的流体动力学特性。

下面将参照第一组实施方式和第二组实施方式对本发明进行描述，然而，一些特征仅与第一组实施方式和第二组实施方式中的一组实施方式相关，在这种情况下，所公开的内容适用于相关的组。一般情况下，无论何时参照整流件，该特征均与两组实施方式相关，当参照填充物时，该特征与第二组实施方式相关。

在本文中，术语“填充物”意思是未固化的腻子材料，从而可以在焊缝处成形以形成整流件，随后该整流件能够被固化。

在本文中，术语焊缝尤其是使船体的两块板通过焊接连接在一起的接合部。特别地，该方法可以包含识别对接焊缝，该对接焊缝将船体的两块外皮板组装在一起用于通过应用整流件来特别修正那些焊缝。对接可以是例如单焊对接、双焊对接、开放对接或封闭对接焊缝，几何形状可以是例如正方形对接、V型连接、J型连接或U型连接。

当在垂直于焊缝的截面中看时，整流件的形状可以是三角形，其中三角形的下表面随形水下表面，三角形的两个顶表面自焊缝上方的顶点延伸并且自该顶点向下朝下表面倾斜。三角形形状特别地可以具有等腰三角形的形状，在焊缝处的高度特别地可以高于焊缝的高度。

三角形的下表面的高度特别地可以是焊缝高度的至少10倍。

顶表面特别地可以呈内心曲线并且形成凸形形状，或者它们可以呈外心曲线并形成凹入形状。

整流件特别地可以应用成覆盖焊缝和焊缝的热影响区两者。以这种方式，整流件不仅可以改善流体动力学特性，而且通过覆盖组装后的板的受影响部分而减少退化。整流件可以由例如密封保护性材料制成，例如包含环氧树脂，从而对水下表面和/或焊缝提供防水密封。整流件还可以为水下表面和/或焊缝提供气密密封。

在一个实施方式中，整流件绕焊缝对称地布置。

在一个实施方式中，焊缝完全被包裹在整流件中，在一个实施方式中，整流件在横向于纵向方向上具有的宽度在至少10cm或甚至20cm的范围内，对应于1cm高的焊缝高度的至少10倍或20倍。

整流件可以直接布置在未覆层的焊缝上，并且其本身具有底层特性。整流件还可以附接到覆底层的表面上，即在应用整流件之前可以将焊缝和/或水下表面覆以底层。

在第二组实施方式中，填充物可以直接应用到焊缝的未覆层表面或者底层表面上，填充物可以选择成使得其本身具有保护性特性，从而保护焊缝以及周围的区域。如果填充物应用在底层上，底层可以有效地结合到钢表面和填充物。底层的粘性可以比填充物更低，从而在应用更厚的粘性更大的填充物之前允许底层填补钢表面上的不规则处并使该表面平滑。

整流件可以覆盖有覆层，例如防污表面覆层系统，例如多层防污覆层系统。

整流件可以由提供防污特性的材料制成，从而构成污染控制表面涂层系统的一部分。

无论任何防污特性，整流件均可以通过修正焊缝处的流动条件来减少污染。

根据焊缝相对于航行方向的位置和方向，水下表面上的焊缝对牵引阻力可以具有不同的影响。下面，术语“纵向方向”指的是为船舶设计的航行方向，纵向焊缝是在纵向方向上延伸的焊缝。类似地，术语“横向方向”指的是横向于为船舶设计的航行方向、例如垂直于为船舶设计的航向方向，横向焊缝是在横向方向上延伸的焊缝。该方法可以包括识别至少一条在纵向方向上在水下表面上延伸的焊缝的步骤。因为该焊缝在航行方向上，所以在航行期间对流体动力学特性影响较小，该方法可以包括仅向横向焊缝而不向纵向焊缝应用整流件。因此，可以将防污表面覆层系统应用到纵向焊缝，例如底层或结合层的顶部上的纵向焊缝，而不应用整流件，防污可以应用于整流件顶部上的横向焊缝。

一个步骤可以来识别那些横向于航行方向延伸的焊缝并且仅向那些焊缝应用整流件。仅选择向横向焊缝应用整流件能够优化工作程序，使得船体更轻且潜在地更快。

整流件可以仅应用在焊缝的相对于航行方向面向后的下游侧上。这里是形成最大湍流的地方，通过仅在焊缝的该侧上应用整流件，可以减少整流件的量。

整流件可以选择性地应用在船舶的前端处，例如至多在船舶水下表面前半部的焊缝上，水下表面的前半部自指向前的前端在航行方向上延伸，一半向船舶的后端延伸。在一个示例中，仅向船舶的前1/3应用，或者仅向船舶的前1/4应用。污染控制系统可以直接应用于在航行方向上延伸的焊缝，或者底层覆层可以应用在焊缝与污染控制表面覆层系统之间。

仅向选定的焊缝应用整流件具有的进一步的优点是允许对那些未被覆盖的焊缝进行不受妨碍的检查。

在该过程中，随后可以使用与用于覆盖在航行方向上延伸的焊缝相同的污染控制表面覆层系统覆盖整流件。

在一个实施方式中，整流件将会被应用在底层的顶部上，所述底层例如为防腐蚀底层。该防腐蚀底层将会直接向水下表面应用于整个船体上。船体的表面可以是钢表面，例如通过喷磨处理过的，或者现有的表面可以是旧船体的老化涂料表面。在应用防腐蚀底层之后，如上所述将整流件应用在焊缝处。在整流件的顶部上，可以应用顶部覆层。顶部覆层可以包括一层或多层污染控制表面覆层系统。此外，可以在顶部覆层下方应用一层或多层结合覆层。

在一个实施方式中，防腐蚀底层系统是环氧树脂型防腐蚀底层，整流件由含有环氧树脂的材料制成，例如由基于环氧树脂的填充物。结合覆层是基于环氧树脂、硅树脂或聚氨酯的结合覆层，污染控制表面覆层系统包括如下所述的一种或多种防污覆层，或者硅树脂系统，其中硅树脂系统可以包括类似或不同层的硅树脂覆层。尤其可以在专利公报WO2011076856中发现用于污染控制的合适的顶部覆层的示例。

在另一个实施方式中，整流件将会直接应用于船体的现有表面。现有表面可以是老化的覆层系统或者例如经喷磨预处理后的裸钢。在整流件的顶部上，将会应用防腐蚀底层，随后应用顶部覆层，例如包括如上所述的一层或多层结合覆层以及污染控制表面覆层系统的层。

在一个实施方式中，整流件具有弹性特性，允许其弹性变形，从而改善其适应船体形状的能力并当船体偏转时(例如，在高浪中)偏转。

第一方面的方法特别地适用于两块底皮面板以对接方式连接的焊缝。

该方法可以形成制造海洋船舶船体的方法的一部分，该方法包括将至少两块底皮面板的边缘以对接的方式布置以形成相邻边缘的步骤，通过形成在船舶的水下表面上突起的焊帽的至少一条焊缝连接所述相邻边缘的步骤以及通过向水下表面和焊缝应用整流件来修正船体轮廓的步骤，特别地，整流件可以在焊缝完全完工并冷却下来后应用。

在第二方面中，本发明提供了一种具有在水下表面上延伸的焊缝的海洋船舶。焊缝形成从水下表面远离的在向外方向上突起焊缝高度的焊帽。

为了减小阻力从而潜在地增大速度或减少燃料消耗，该船舶还包括整流件，该整流件在纵向方向上延伸并且在向外方向上突起整流件高度。整流件布置成使得其覆盖焊缝的至少一部分，优选地其将焊缝完全包裹。此外，整流件在焊缝的两侧上延伸，从而覆盖水下表面的至少一部分。

特别地，整流件可以布置成至少部分地覆盖以对接方式组装船体表皮面板的焊缝。

优选地，整流件高度在沿着水下表面远离焊缝的宽度方向上减小使得当在垂直于纵向方向的截面中看时整流件变成三角形。

整流件高度可以在焊缝高度的90％和110％之间使得焊缝被完全覆盖或者使得焊缝高度的至多10％没有被覆盖。

整流件可以在焊缝相对两侧上在纵向方向上延伸的两侧边缘处终止。优选地，这些侧边缘平行于焊缝，至少其中一个侧边缘可以在距离焊缝至少5倍于整流件高度的距离处延伸，例如6倍、7倍、8倍、9倍或10倍于整流件高度的距离。

从一个侧边缘到焊缝的距离可以等于从另一个侧边缘到焊缝的距离。

在一个实施方式中，整流件具有背离水下表面的外表面，该外表面在横向于纵向方向的截面中是凸形的。

所提到的与用于改善流体动力学轮廓的方法相关的任何方面也可以应用于船舶，例如至多在船舶的前半部用整流件覆盖焊缝，而其余的焊缝没有整流件覆盖的方面。

在第三方面中，本公开涉及一种用于船舶水下表面的覆层系统，以所提到的顺序，该覆层系统包括：至少一层底层，例如防腐蚀底层，例如基于环氧树脂并且朝向水下表面布置；关于本发明的第一方面所述的那种整流件；以及顶部覆层。顶部覆层可以包括至少一层污染控制表面覆层系统。

特别地，整流件可以由填充物制成，例如应用在底层上。

特别地，底层可以是基于环氧树脂的底层，其可以是低焦油的或者无焦油的，其具有的粘性低于填充物的粘性，特别地其可以应用在至少两个单独的层中。

填充物特别地可以是基于环氧树脂的填充物，其颜色特别地可以不同于底层和顶部覆层的颜色。

在一个实施方式中，顶部覆层包括一层或多层基于硅树脂或环氧树脂的覆层，例如正如本文其他地方所述的污染控制表面覆层系统。

污染控制表面覆层系统特别地可以是自抛光防污染粘合剂系统，像水解丙烯酸粘合剂，但并不局限于此。特别相关的系统的示例包括：非水分散粘合剂系统。在例如US 3,607,821、US 4,147,688、US 4,493,914和US 4,960,828、日本专利公开号29,551/1973和日本公开待审专利申请号177,068/1982中描述了这种非水分散式树脂及其制备方法；具体地，作为构成非水分散式树脂的壳成分，可以使用例如在US 4,960,828(日本专利公开申请号43374/1989)中描述的可溶于低极性溶剂中的各种高分子物质；例如在EP 0 297 505 B1中描述的那些硅化丙烯酸酯粘合剂系统；例如在EP 0 471 204 B1、EP 0 342 276 B1、EP 0779 304 A1、EP 0 204 456 B1或日本专利公开号16809/1989中描述的那些金属丙烯酸酯粘合剂系统；例如在KR 20140117986中描述的那些硅化丙烯酸酯和金属丙烯酸酯混合物粘合剂系统；例如在WO 2015/114091中公开的聚草酸盐粘合剂系统；例如在WO 2004/018533和WO 2016/066567中公开的两性离子粘结剂系统；例如在WO 2014/010702中公开的聚酯粘合剂；硅化丙烯酸酯、两性离子混合物粘合剂系统、聚酯粘合剂系统、(天然)松香、松香衍生物、歧化松香、部分聚合松香、氢化松香、脂松香、歧化脂松香、丙烯酸树脂、聚乙烯醇甲基醚和醋酸乙烯-氯乙烯-乙烯三元共聚物。特别是与自抛光污染控制覆层系统相结合，整流件可以提供改善的流动条件，从而改善自抛光效果，从而减少污染问题。

其中，松香粘合剂系统、非水分散粘合剂系统、硅化丙烯酸酯粘合剂系统、金属丙烯酸酯粘合剂系统、硅化丙烯酸酯与金属丙烯酸酯混合物粘合剂系统、聚草酸盐粘合剂系统、两性离子粘合剂系统、硅化丙烯酸酯、两性离子混合物粘合剂系统和聚酯粘合剂系统尤其引人关注。

在一个实施方式中，在整流件与顶部覆层之间应用结合覆层，例如基于环氧树脂、硅树脂或聚氨酯的结合覆层。这种结合覆层可以应用一层或多层。

附图说明

图1-图3示出了船舶水线以下钢板的横截面视图；

图4-图6示出了钢板的俯视图；

图7示出了船舶底表面的俯视图；

图8a-图8e示出了整流件的不同轮廓；

图9-图13示出了不同测试的结果，以及

图14-图16示出了与计算流体动力学模拟相关的方面。

具体实施方式

图1示出了形成海洋船舶水下表面的钢板。与水接触的外表面1示出为朝上，内表面2面向内，如朝向压载舱等。该板由两张单独的金属板3、4通过焊接连接而成。该焊接连接部形成焊帽5，该焊帽从水下表面向外突起一个接缝焊缝高度。高度用箭头h表示。

图2a示出了图1中的板材，其中通过在焊缝上应用填充物而制成整流件6。整流件在轴向方向上从由横截面限定的平面向内、向外延伸。箭头7表示轴向方向。

整流件在向外方向上突起一个整流件高度p并且覆盖焊缝和一部分水下表面。

图2b示出了整流件的放大横截面。整流件具有三角形的形状，其形成与水下表面抵靠的由虚线表示的下表面8。下表面8被由焊接焊帽形成的锥形9打断。然而，在本文的含义中，整流件被标记为三角形。该三角形还形成两个顶面10、11，这两个顶面从焊缝上方的顶点12延伸，并从顶点朝向角13处的下表面向下倾斜。示出的整流件的形状为等腰三角形，即具有至少两条长度相等的边。

图3示出了形成单独部件的整流件14，该整流件具有预限定形状并且通过粘结方式附接到焊缝和水下表面。

图4示出了图1的焊缝，但是图4是从外表面上方看的视图，即船舶启动时与水接触的表面上方。在该视图中，在焊帽相对两侧上示出了两个热影响区15、16。这两个热影响区是焊接过程中过剩的热量输入导致的。

图5示出了图4的焊缝，其中整流件17不仅覆盖焊帽，而且还覆盖两个热影响区。因此整流件提供平滑表面，减小了阻力并且增加了对焊缝和热影响区的保护。

在图4和图5中，箭头7表示焊缝的轴向，箭头18(图7中的箭头24)表示船舶的航行方向，也称纵向方向。本发明总体上可应用于水下表面上的任何焊缝。然而，如图6所示，当整流件专门应用到横向于航行方向(本文将其称为“横向方向”)延伸的焊接线时，本发明可能特别有用。在图6中，这是由纵向焊缝19和热影响区20、21示出的。而横向焊缝5被整流件17覆盖，其他的纵向焊缝19在航行方向上延伸并且没有被覆盖。在未被覆盖的焊缝处，热影响区20、21也未被覆盖地延伸。

图7示出了船舶的底部22。该船舶具有圆顺的船端23，旨在用于由箭头24所指示的航行方向，因此也指示纵向方向。该船舶包括许多垂直于航行方向延伸的横向焊缝25，以及至少两条在航行方向延伸的纵向焊缝26。

填充物式的整流件27仅应用于船舶水下表面前半部分的焊缝上。这是由在长度方向的两个连续部分的每一个的距离指示X/2表示的。

图8a-图8e示出了不同的整流件轮廓。

在图8a中，整流件28的高度是焊缝焊帽高度的100％以下，因此焊帽延伸超出整流件。尽管可以看到焊缝穿过整流件，但是整流件保护并改变了焊缝处的流动条件。

在图8b中，整流件29的高度是焊缝的焊帽高度的100％以上，但是仅布置成覆盖在远离由箭头30表示的航行方向的指向下游的焊缝部分和热影响区。通过这种整流件，尤其修正了有时会遭受污染的焊缝下游的流动条件。由焊缝下游整流件带来的流动条件的变化可以减少污染。

在图8c中，整流件31的高度是焊缝的焊帽高度的100％以下，并且其仅布置成覆盖在远离由箭头30表示的航行方向的指向下游的部分焊缝和热影响区。因此焊缝延伸超出整流件，但是整流件仍然保护和改变了焊缝处的流动条件。

在图8d中，整流件32的高度正好是焊缝的焊帽高度的100％，其具有凹入形状。

在图8e中，整流件33的高度正好是焊缝的焊帽高度的100％，整流件的指向航行方向的部分具有凹入形状，相对于航行方向指向后的部分具有凸形形状。

示例

示例1-船模试验槽测试

为了研究船体上突起焊缝对阻力的影响，利用具有表示焊缝的突起的平板和没有表示焊缝的突起的平板进行了三个阻力测试以便于测量由焊缝增加的阻力。

测试了两个不同的轮廓：一个具有如图1所示的弧形横截面，对应于没有整流件的焊缝；一个在焊缝上方具有模拟整流件的平滑过渡(如图2a所示)。弧形焊缝的横截面具有12mm的宽度和3mm的高度，整流件的突起具有相同的高度但是宽度是60mm-100mm。

通过FORCE Technology公司(地址

99,DK-2800 KongensLyngby)在薄平板上实施力的测量。测量是在240米长且具有5.5米深的水的船模试验槽中完成的。将2.5米×0.6米大的薄平板从装备上浸入水中并在3m/s到7m/s速度下测量阻力，由此确定表面摩擦力和表面摩擦系数(Cf)。

为测试程序准备了3块5mm阳极氧化铝板。整流件应用到前边缘以减少波浪产生的阻力并且在板前边缘向船尾0.1m处的两侧上定位25mm宽的竖直砂纸带以模拟板下游余下部分上的完全湍流。在使用板进行任何测试之前，测试装备的空气阻力是通过单独使用装备运行进行测试来确定的。

在板的每侧上、前边缘向船尾1m处对称地布置一条焊缝，其具有如下尺寸：

为了验证试验设置和确定参考摩擦阻力，一开始对一块没有任何突起的基准板进行测试。然后对带有弧形焊缝的板进行测试，随后对焊缝上具有整流件的板进行检测。有具有突起的测试结束后，再次对平滑的基准板进行测试。

在带有焊缝运行的测试期间所测得的阻力，首先减去空气阻力和平滑板阻力，得到因焊缝产生的阻力增量。各板的阻力系数如图9所示，模型比例阻力增量如图10所示。结果表明，横向弧形焊缝使平滑板阻力增大6.5％-9.2％，而焊缝上的整流件使平滑板阻力增大约2％。

表1结果的总结示出具有横向焊缝的板的阻力(基于湿表面)

阻力系数定义为：

其中

D是阻力

h是突起(焊缝)的高度

l是突起(焊缝)的长度

q是动力学压力，定义为

有效动力学压力定义为：

其中

δ是最大边界层厚度

使用有效动力学压力原理，可以推导出表示自由流动中阻力系数的独立阻力系数

通过将该理论应用于测试结果，可以建立不同类型突起的独立阻力系数

表2表示为独立阻力系数

的模型测试结果和C_D的相对减少量

图11中呈现出了表2中的结果。相比于没有整流件的焊缝，具有改变轮廓的焊缝，即由根据本发明的整流件覆盖的焊缝从而将独立阻力系数减小61-85％。

示例2-全比例外推法

用示例1中的有效压力原理来估计全比例船只上的阻力增量。为了估计横向焊缝的全比例影响，以350米集装箱船为例进行计算。在该示例中，沿着边界层外部船体的速度假定沿着船体是恒定的。假设横向焊缝距离FP从50m到300m每隔5m沿整个周长延伸一次，即每个部段的横向焊缝长度为2×11m+42.8m＝64.8m。在该示例中，对于弧形的独立焊缝阻力系数为0.5，对于具有整流件的焊缝的阻力系数为0.15。在分析中将会用到船舶的如下特征：

在16节时，每个焊缝增加的阻力列于表3。与总静水阻力相比的阻力增量的总和示出了对于弧形焊缝的相对增量为3.73％。

对于具有整流件的焊缝，阻力的相对增量为1.12％。

图12示出了沿着集装箱船从50米到300米在两种不同速度(16节和18节)下，弧形焊缝和具有整流件的焊缝的附加阻力。

这些结果清楚地示出了将弧形焊缝轮廓变化成更平滑的轮廓的效果。

V	δ/x	x	δ	q<sub>eff</sub>/q	C<sub>d_ind</sub>	C<sub>d_局部</sub>/m	R<sub>焊接</sub>	R<sub>总</sub>	R<sub>增加</sub>
										节	-	m	m	-	-	-	N	kN	-
16	0.93％	50	0.464	0.140	0.5	0.070	944	941	0.10％
										16	0.92％	55	0.504	0.136	0.5	0.068	919	941	0.10％
16	0.90％	60	0.543	0.133	0.5	0.066	896	941	0.10％
										16	0.89％	65	0.581	0.130	0.5	0.065	876	941	0.09％
16	0.88％	70	0.619	0.127	0.5	0.063	857	941	0.09％
										16	0.88％	75	0.657	0.124	0.5	0.062	841	941	0.09％
16	0.87％	80	0.694	0.122	0.5	0.061	825	941	0.09％
										16	0.86％	85	0.731	0.120	0.5	0.060	811	941	0.09％
16	0.85％	90	0.768	0.118	0.5	0.059	798	941	0.08％
										16	0.85％	95	0.804	0.116	0.5	0.058	786	941	0.08％
·	·	·	·	·	·	·	·	·	·
										16	0.72％	300	2.115	0.084	0.5	0.042	566	941	0.08％
16							35063	941	3.73％

表3通过外推法得出的全比例集装箱船上弧形焊缝的阻力的相对增量

弧形焊缝和具有整流件的焊缝两者均在16节、18节、20节和22节速度下测量相对增量。结果如图13所示。在任何速度下，阻力的相对增加都是恒定的。结果表明，即使在提高或降低速度的情况下，将弧形焊缝的轮廓改变为更平滑的轮廓也将降低牵引阻力。

计算流体动力学计算

模拟中使用了二维矩形几何图形(见下文)，其中水从左向右以不同的速度流动。计算域的尺寸如图14所示。

在稳态下进行了模拟，其中边界条件如图15所示。模拟是由加泰罗尼亚理工大学(UPC)的EEBE流体力学系进行的。

k-ε和k-w模型被用来模拟湍流。对于远离焊缝的网格，使用具有94713个单元的三角形格子。突起的形状决定了对尾迹和再循环以及因此最终增加的靠近焊缝的总阻力的可接受描述所必需的细化，网格按如下方式细化。

结果如下。注意以下报告的绝对值是无关的，因为目的不是描述湍流本身，而是湍流对平均流量的影响(即相对数值)。

还评估了速度的影响(见下面的3mm焊缝)

Claims (25)

1.一种用于改善海洋船舶流体动力学轮廓的方法，该方法包括步骤：

识别至少一条形成焊帽的焊缝，该焊帽在船舶的水下表面上凸出；以及

通过向所述水下表面和所述焊缝应用整流件来修正所述船舶的轮廓。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过向所述水下表面和所述焊缝应用未固化的填充物、使所述填充物成形并使所述填充物固化来向所述水下表面和所述焊缝应用整流件。

3.根据权利要求2所述的方法，其中从泵将所述填充物施加到应用工具中，所述应用工具构造成在所述水下表面上移动并且构造成限定整流件的形状。

4.根据权利要求1所述的方法，包括将预限定的整流件应用到所述焊缝处的所述水下表面的步骤。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，包括应用具有三角形形状的整流件的步骤，所述三角形形状形成抵靠所述水下表面的下表面和自所述焊缝上方的顶点延伸并且自所述顶点向所述下表面向下倾斜的两个顶表面。

6.根据权利要求5所述的方法，包括应用具有等腰三角形形状的整流件的步骤。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中应用所述整流件以覆盖所述焊缝和所述焊缝的热影响区。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中绕所述焊缝对称地应用所述整流件。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中将所述整流件应用在底层与顶部覆层之间的所述焊缝上方。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述整流件由污染控制表面覆层系统覆盖。

11.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，包括：识别在纵向方向上在所述水下表面上延伸的至少一条纵向焊缝，所述船舶设计成在所述纵向方向上航行；识别在横向于所述纵向方向的横向方向上在所述水下表面上延伸的至少一条横向焊缝；以及向所述横向焊缝应用所述整流件而不向所述纵向焊缝应用整流件。

12.根据权利要求11所述的方法，其中专门将所述整流件应用到在横向于纵向方向的方向上延伸的焊缝。

13.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中仅在所述焊缝的相对于所述船舶航行方向面向后的下游侧上应用所述整流件。

14.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中至多在所述船舶的所述水下表面的前半部中的焊缝上应用整流件，所述水下表面的所述前半部自向前指向航行方向的前端延伸，并且向所述船舶的后端延伸一半。

15.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述船舶以一定速度在水中操作，其中所述整流件应用到所述水下表面和焊缝。

16.一种海洋船舶，所述海洋船舶具有船体，所述船体形成沿着水下表面延伸的焊缝，并且在远离所述水下表面的向外方向上形成突起一焊缝高度的焊帽，所述船舶还包括在轴向方向上延伸的整流件，所述整流件在所述向外方向上突起一整流件高度并且覆盖所述焊缝和水下表面的至少一部分。

17.根据权利要求16所述的海洋船舶，其中所述整流件高度沿着所述水下表面上在远离所述焊缝的宽度方向上减小。

18.根据权利要求16或17所述的海洋船舶，其中所述整流件的高度在所述焊缝高度的90％和110％之间。

19.根据权利要求16或17所述的海洋船舶，其中所述整流件终止于在所述焊缝的相对两侧上的在所述轴向方向上延伸的两个侧边缘。

20.根据权利要求19所述的海洋船舶，其中至少其中一个所述侧边缘在距离所述焊缝至少5倍于所述整流件高度的距离处延伸。

21.根据权利要求19所述的海洋船舶，其中从一个侧边缘到所述焊缝的距离等于从另一个侧边缘到所述焊缝的距离。

22.根据权利要求16或17所述的海洋船舶，其中所述整流件具有背离所述水下表面的外表面，所述外表面在横向于所述轴向方向的横截面中是凸形的。

23.一种用于船舶水下表面的覆层系统，所述覆层系统包括至少一层应用到所述水下表面的底层、构造成修正焊缝处所述水下表面的轮廓并在根据权利要求1-15中任一项所述的方法或者根据权利要求16所述的海洋船舶中应用的整流件以及应用到所述整流件的顶部覆层，所述整流件应用到所述底层。

24.根据权利要求23所述的覆层系统，还包括应用在所述整流件与所述顶部覆层之间的结合覆层。

25.根据权利要求23或24所述的覆层系统，其中所述顶部覆层包括至少一层污染控制表面覆层系统。

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