CN111746710B

CN111746710B - 基于废气利用的船舶减阻系统

Info

Publication number: CN111746710B
Application number: CN202010495940.8A
Authority: CN
Inventors: 朱汉华; 张亚卿; 王锡涵; 徐庚辉
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2040-06-03
Also published as: CN111746710A

Abstract

本发明涉及一种基于废气利用的船舶减阻系统，包括微气泡发生器、气路管系和液路管系；微气泡发生器包括外壳和气体流道，外壳上端密封、下端开口；气体流道为直径上端小、下端大的渐扩中空结构，其上端设有进气口、下端密封，并在横截面直径最大处环绕开设排气孔；外壳与气体流道之间的空间形成液体流道，液体流道呈先渐缩，后渐扩的形状，液体流道上端设有进水口；气路管系的高压气瓶与船舶主机废气锅炉相连，空气分配器与微气泡发生器的气体流道进气口相连；液路管系的海水分配器与微气泡发生器的液体流道进水口相连，液路管系的液体来自于舷外海水。本发明采用船舶主机废气锅炉对微气泡发生器供气，降低了船舶制造的难度，同时能够节能减排。

Description

基于废气利用的船舶减阻系统

技术领域

本发明涉及船舶废气利用及船舶减阻技术领域，具体涉及一种基于废气利用的船舶减阻系统。

背景技术

随着全球经济的高速发展及其对化石能源过度的依赖，航运行业迎来了全新的挑战，船舶行业的相关人员正在积极寻找更经济更绿色的方式来使整个行业可持续发展，目前船舶行业所采取的方式有以下几种：①对船舶柴油机的改良；②对船体结构的改进；③对船舶内部各种可循环系统的优化。在发展高性能船舶的今天，船舶减阻技术成为行业热议的话题，因其可以适当的降低能耗，且可以提高船舶通行的速度，具有重要的研究价值。

已有研究表明，在形状阻力较小的浅吃水船上应用微气泡减阻节能技术，可实现更好的节能效果。微气泡只在黏性底层之外与边界层内水体相混合，黏性底层内仍然是水体(气泡未进入黏性底层)，故减阻的原因可认为主要是湍流雷诺应力的大幅降低产生的。使得湍流雷诺应力降低的原因，一方面是由边界层过渡区内大量微气泡与水流混合后，使混合后流体密度显著下降所造成，另一方面也可能是由于边界层过渡区内含有大量微气泡存在，猝发的湍流通过微气泡的缓冲和耗散，降低了脉动速度(特别是横向脉动速度)，而使湍流雷诺应力降低。

传统微气泡减阻技术通常设置气舱用于提供气体，舱室的增加势必会对船舶设计建造增加困难。在面对复杂海况时，会对船舶的稳性造成影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种基于废气利用的船舶减阻系统，它采用船舶主机废气锅炉对微气泡发生器供气，降低了船舶制造的难度，同时能够节能减排。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种基于废气利用的船舶减阻系统，所述船舶减阻系统包括微气泡发生器、气路管系和液路管系；

所述微气泡发生器包括外壳以及同轴设置于所述外壳内的气体流道，所述外壳上端密封、下端开口；所述气体流道为直径上端小、下端大的渐扩中空结构，其上端设有进气口、下端密封，并在横截面直径最大处环绕开设有排气孔；所述外壳与气体流道之间的空间形成液体流道，所述液体流道呈先渐缩，后渐扩的形状，液体流道上端设有进水口；

所述气路管系包括依次相连的高压气瓶、低压气瓶、空气分配器，所述高压气瓶与船舶主机废气锅炉相连，所述空气分配器与所述微气泡发生器的气体流道进气口相连；所述高压气瓶与低压气瓶之间设有减压模块，所述低压气瓶与空气分配器之间设有流量控制模块；

所述液路管系包括海水分配器，所述海水分配器与所述微气泡发生器的液体流道进水口相连，所述液路管系的液体来自于舷外海水。

上述方案中，所述减压模块包括控制阀V1、控制阀V2、减压阀和控制阀V3，控制阀V2、减压阀和控制阀V3串联后与控制阀V1并联，通过控制阀V1负反馈调节控制阀V2和控制阀V3。

上述方案中，所述流量控制模块包括设置于所述低压气瓶与空气分配器之间的手动控制阀、电磁阀和电磁流量计，所述电磁流量计设置于所述空气分配器的输入端。

上述方案中，所述微气泡发生器设置于距离球鼻艏后缘1/3船长处。

上述方案中，所述液路管系还包括设置于船舶前部的海水滤器和海水泵，舷外海水在所述海水泵的作用下经所述海水滤器进行过滤后输入所述海水分配器，所述海水分配器的输入端设有电磁流量计。

上述方案中，所述空气分配器及流量控制模块设置两组，其中一组为主要工作元件，另一组作为备用元件。

上述方案中，高压气体来源于船舶主机废气锅炉中的气体，所述高压气瓶与主机废气锅炉配套，高压气瓶设置于船舶后部。

上述方案中，所述微气泡发生器还包括设置于所述气体流道外的气-液混合壁面，并在排气孔对应的高度开设开口；所述气-液混合壁面为圆柱面，它与所述弧形壁面之间的空间形成液体流道。

上述方案中，所述低压气瓶的数量根据其规格和用气量进行设置，实现多级减压，确保每次气压变化值小于3atm，防止其在减压过程中变化值过大引起的不可逆损失。

上述方案中，当船舶航速为10kn时，从所述微气泡发生器喷出的流体含气率为10％～20％；当船舶航速为20kn时，从所述微气泡发生器喷出的流体含气率为15％～23％。

上述方案中，当船舶航速为10kn时，所述微气泡发生器的喷气速度为0.1m/s-0.15m/s；当船舶航速为20kn时，所述微气泡发生器的喷气速度为0.15m/s-0.20m/s。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的减阻系统利用船舶主机排放的废气，通过减压降温后通入微气泡发生器，作为微气泡减阻的气源，并引入舷外海水作为微气泡发生器的水源，实现了废气利用，更加经济绿色、节能环保。

2、本发明的微气泡发生器具有调节微气泡直径的功能，在不同速度航行时，通过旋转气体流道，改变其与壁面开口交错重叠的排气孔直径，形成不同紊乱程度的气泡，实现最优的减阻效果。

3、本发明采用定量定位的方式进行微气泡减阻，将微气泡发生器的喷气口位置在距离球鼻艏后缘约三分之一船长附近，使减阻效果有了大幅度的提升。对于不同范围的航行速度采用不同的含气率，避免了低航速航行时较高含气率所造成的浪费。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于废气利用的船舶减阻系统的总体结构图；

图2是本发明减阻系统的微气泡发生器的结构示意图；

图3是本发明减阻系统的气路管系的结构示意图；

图4是本发明减阻系统的液路管系的结构示意图；

图5是本发明微气泡发生器的气体流道排气孔与气-液混合壁面开口的示意图；

图6是本发明微气泡发生器喷出流体的含气率对船舶减阻影响示意图；

图7是本发明微气泡发生器的安装位置对船舶减阻影响示意图(x-y截面)；

图8是本发明微气泡发生器的安装位置对船舶减阻影响示意图(y-z截面)。

图中：10、微气泡发生器；11、外壳；12、气体流道；121、进气口；122、排气孔；123、减压气口；13、液体流道；14、气喷出口；15、气-液混合壁面；151、开口；20、气路管系；21、高压气瓶；22、低压气瓶；23、空气分配器；24、减压模块；25、流量控制模块；30、液路管系；31、海水分配器；32、海水泵；33、海水滤器；V1-V3、控制阀；V4、减压阀；V5-V6、手动控制阀；V7-V8、电磁阀；F1-F3、电磁流量计；200、船舶主机。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明提供的一种基于废气利用的船舶减阻系统，包括微气泡发生器10、气路管系20、液路管系30，气路管系20用于为微气泡发生器10输送气体，气体来源于船舶主机200废气锅炉中的气体；液路管系30用于为微气泡发生器10输送液体，液体来源于舷外海水。

如图2所示，微气泡发生器10包括外壳11以及同轴设置于外壳11内的气体流道12和气-液混合壁面15。外壳11上端密封、下端开口。气体流道12为直径上端小、下端大的渐扩中空结构，通过气体流道12的气体可以将其动能转化为压力能，大大增加了气体在管内的扰动性。气体流道12上端设置进气口121、下端密封，并在横截面直径最大处环绕开设有排气孔122。气-液混合壁面15设于气体流道12外，并在排气孔122对应的高度开设开口151。外壳11与气-液混合壁面15之间的空间形成液体流道13，液体流道13上端设置进水口，下端为气喷出口14。液体流道13呈先渐缩、后渐扩的形状，微气泡发生器10沿液体流道13方向分为进水段，注气段，扩压段三个部分。当微气泡发生器10正常工作时，水流进入液体流道13内向前流动，随着横截面积的减小，水流速度逐渐增加，进入注气段。气体流道12底端的注气段部分开有排气孔122，通过气-液混合壁面15上的开口151注入水中，形成一连串小气泡。扩压段流动截面逐渐增加，气液混合物流经该工作段时产生强烈的紊流，水中混杂的小气泡被剪碎，形成微气泡。微气泡通过船底的气泡喷口冒出，随水流覆盖于船底，在船底形成气泡层，从而达到减阻效果。

参照图1、图3，气路管系20包括依次相连的高压气瓶21、低压气瓶22和空气分配器23。高压气瓶21与船舶主机200废气锅炉配套并相连，高压气瓶21设置于船舶后部。空气分配器23与微气泡发生器10的气体流道12进气口121相连。高压气瓶21与低压气瓶22之间设有减压模块24，减压模块24包括控制阀V1、控制阀V2、减压阀V4和控制阀V3，控制阀V2、减压阀和控制阀V3串联后与控制阀V1并联，通过控制阀V1负反馈调节控制阀V2和控制阀V3。当从高压气瓶21流出的气体大于7atm，控制阀V1完全闭合，气体全部从控制阀V2、减压阀V4、控制阀V3处流出，通过减压阀V4进行减压处理，防止过大压力的气体流入低压气瓶22造成对装置的破坏。当气体的压力小于7atm时，气体从控制阀V1流出，此时可以适当的增加控制阀V1的开度。

低压气瓶22与空气分配器23之间设有流量控制模块25，空气分配器23及流量控制模块25设置两组，其中一组为主要工作元件，另一组作为备用元件。流量控制模块25包括设置于低压气瓶22与空气分配器23之间的手动控制阀V5和V6、电磁阀V7和V8和电磁流量计F1和F2，电磁流量计F1和F2分别设置于两个空气分配器23的输入端。其中手动控制阀V5、V6用于调节开度控制来流气体的流量，电磁阀V7、V8通过PLC控制通断，电磁流量计F1、F2用于显示流经此处的流量。

进一步优化，本实施例中，低压气瓶22的数量根据其规格和用气量进行设置，实现多级减压，确保每次气压变化值小于3atm，防止其在减压过程中变化值过大引起的不可逆损失。

参照图1、图4，液路管系30包括海水分配器31以及设置于船舶前部的海水滤器33和海水泵32，舷外海水在海水泵32的作用下经海水滤器33进行过滤后输送至海水分配器31，海水分配器31的输入端设有电磁流量计F3。海水分配器31与微气泡发生器10的液体流道13的进水口相连。

进一步优化，本发明微气泡发生器10还具有调节微气泡直径的功能。气体流道12为转动安装，可绕中心轴旋转，气-液混合壁面15为固定安装，不可旋转。气体流道12底端以同一尺寸的气孔为一组，开设多组直径不同的排气孔122。通过调整气体流道12的旋度，控制气体流道12与气-液混合壁面15交换的截面积，从而实现调整微气泡直径的功能，以适应不同航速的减阻需求。气体流道12底端每相邻两组气孔间的距离一致，保证在与壁面交换时气泡直径稳定变换。在气体流道12旋转过一定角度时，会存在短时的混合注气阶段，形成不稳定注汽现象，因此在气体流道12上设置减压气孔，气体流道12旋转时打开减压气孔，使过多的气体通过减压气孔流出。本发明通过在气体流道12上还设置减压气口123，作为气体流道12的安全装置，用于在改变微气泡直径时，短暂的压力释放，保证系统的稳定性。

进一步优化，如图5所示，气-液混合壁面15的开口151满足在某一角度内有两组排气孔122同时注气，这样可以生成直径更小的微气泡，提高了微气泡的质量，能够进一步提高减阻率。

为验证本发明的可行性，对选型集装箱船舶在不同含气率，不同位置进行计算，得出气-液两相的流场和集装箱船舶表面剪应力分析，集装箱船舶选型仅用于解释，不用于限定本发明专利。研究所选的船型为集装箱船，实船全长170.56m，船宽27.9m，船舶设计吃水8.5m，设计速度20.1节，其对应的雷诺数约为1.756×10⁹，船体表面每一小块面积所受的摩擦力和法向力(压差阻力)，将船体上每一小块所受的力相加即为船体所受的合力，其表达式为：

式中：n为浸水船体表面网格的数量；

为第i个网格所受的摩擦力合力；

为i个网格所受的压差阻力的合力；

为船体所受的摩擦力合力；

为船体所受的压差阻力合力；T_x、T_y和T_z分别为船体在三个方向所受摩擦力分量N_x、N_y和N_z分别为船体在三个方向所受法向力(压差阻力)分量。

以船舶航速10kn为例，计算结果如图6所示，流体含气率为10％～20％时，有较好的减阻效果。此时若有较大的含气量，如含气量在30％-40％时，空气上升的速度较快，且很快飘离船底，无法随周围流场流动到船底，使空气无法被带入船底并维持在船底船体边界层内，无法产生减阻效果。且随着含气率的增高，摩擦力上升的幅度增大，40％之后缓缓增加，到最后90％～100％时摩擦力最大值比没使用微泡减阻的计算条件还高，此结果显示并非喷出越多空气，减阻效果越好。当船速提高后，可容许较大量含气流体注入，且此时空气上浮速度相对较慢，可使空气维持在船底时间较长而增加空气覆盖率，从而增大减阻效果。当船舶航速为20kn时，将流体含气率提高为15％～23％，此时空气上浮速度相对较慢，可使空气维持在船底时间较长而增加空气覆盖率，从而增大减阻效果。

集装箱船舶在定速航行时，航速一般保持在10kn-20kn，当船舶航速为10kn时，微气泡发生器10的喷气速度为0.1m/s-0.15m/s；当船舶航速为20kn时，微气泡发生器10的喷气速度为0.15m/s-0.20m/s。

选择流体的含气率10％，喷射速率0.1m/s为例，分别设置四个不同的喷气位置，如图7-8所示，由球鼻艏后缘起至船舯底部，以间距约1/6船长在纵向布置四个喷气口位置。而在船舯之后不考虑设喷气口的原因为：在船舯之后喷出空气会使空气在上浮过程中流入螺旋桨工作平面内，且在船舯之后的喷气口其减阻性能也会因为空气可覆盖的面积较小而未能有明显的减阻效果。

喷气口位置一在球鼻艏后缘附近，周围流场可将空气由球鼻艏往船底带动，当空气到达船底后，浮力会引导空气往上移动，此时上方遇到船体的阻挡而使空气往船体方向移动并维持在边界层内，从而产生减阻效果。

喷气口位置二在船舯底部，数值计算结果显示在船舯底部开口151比一号开口151有更好的减阻效果，约降低3.6％摩擦力，这可能是因为二号喷气口喷出流体位置在船底平坦处，空气容易直接因为浮力的作用而靠近船体并进入边界层内。但缺点是喷气口位置靠近船艉，会有部分空气流入螺旋桨工作范围内，因此将会影响螺旋桨的推进效率。

为了避免这种状况，故将三号喷气口的位置往船艏方向移动直至在螺旋桨工作范围上方不再出现含气流体，最终三号喷气口的位置位于靠近船舶球鼻艏约1/3船长处有较好的减阻效果。

四号喷气口的位置是将三号喷气口继续向前移动1/6船长的距离，从计算结果可看出，由于空气覆盖率减小，其减阻效果相对较差，因此该位置不适合作为喷气口开口151的位置。

综上，本发明将微气泡发生器10设置于距离球鼻艏尾端1/3船长处，周围流场可将空气由靠近球鼻艏1/3船长处往船底带动，当空气到达船底后，浮力会引导空气往上移动，此时上方遇到船体的阻挡而使空气往船体方向移动并维持在边界层内，从而产生减阻效果。此方法相比于将微气泡喷口放置于在球鼻艏后缘附近或者船舯底部有更好的减阻效果。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，所述船舶减阻系统包括微气泡发生器、气路管系和液路管系；

2.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，所述减压模块包括控制阀V1、控制阀V2、减压阀和控制阀V3，控制阀V2、减压阀和控制阀V3串联后与控制阀V1并联，通过控制阀V1负反馈调节控制阀V2和控制阀V3。

3.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，所述流量控制模块包括设置于所述低压气瓶与空气分配器之间的手动控制阀、电磁阀和电磁流量计，所述电磁流量计设置于所述空气分配器的输入端。

4.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，所述微气泡发生器设置于距离球鼻艏后缘1/3船长处。

5.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，所述液路管系还包括设置于船舶前部的海水滤器和海水泵，舷外海水在所述海水泵的作用下经所述海水滤器进行过滤后输入所述海水分配器，所述海水分配器的输入端设有电磁流量计。

6.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，所述空气分配器及流量控制模块设置两组，其中一组为主要工作元件，另一组作为备用元件。

7.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，高压气体来源于船舶主机废气锅炉中的气体，所述高压气瓶与主机废气锅炉配套，高压气瓶设置于船舶后部。

8.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，所述微气泡发生器还包括设置于所述气体流道外的气-液混合壁面，并在排气孔对应的高度开设开口；所述气-液混合壁面为圆柱面，所述外壳内壁为弧形壁面，所述气-液混合壁面与所述弧形壁面之间的空间形成所述液体流道。

9.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，当船舶航速为10kn时，从所述微气泡发生器喷出的流体含气率为10％～20％；当船舶航速为20kn时，从所述微气泡发生器喷出的流体含气率为15％～23％。

10.根据权利要求1所述的基于废气利用的船舶减阻系统，其特征在于，当船舶航速为10kn时，所述微气泡发生器的喷气速度为0.1m/s-0.15m/s；当船舶航速为20kn时，所述微气泡发生器的喷气速度为0.15m/s-0.20m/s。