CN112109844A - 一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，进气口处的大气为一个标准大气压。进气涵道将进气口与出气口连通，出气口位于骤缩截面后方的体积骤缩区域。船体运行时，出气口位置会形成一个低压区，外界大气会被吸入液面下并由出气口排出，从而实现支柱自动吸气。气体由导流面向后排出，均匀快速往支柱两侧分流，与来流混合形成气水混合物，覆盖后方水下部分支柱表面。本发明解决了人工通气装置构造复杂，并且通气所需功率较大，需要流量调控装置辅助通气等问题，简化了通气结构，实现了船舶节能。

Description

一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构
技术领域
本发明涉及一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，属于双体船支柱减阻技术领域。
背景技术
传统水面艇以柴油机动力为主，而运动体在水中阻力大约是空气中阻力的850倍。小水线面双体船是由水下的双下体、小水线面支柱和宽敞的上船体三部分组成的高性能船舶，它具有良好的横向稳定性。
船体在航行时受到的阻力分为三种，包括摩擦阻力、形状阻力和附体阻力，其中摩擦阻力是主体。摩擦阻力取决于水的粘性以及船体贴水表面所用材料及其表面粗糙度。目前船体减阻的主要手段是表面涂层以及提高表面光滑度，其效果均并不明显，并不能显著降低船体的摩擦阻力。
双体船具有支柱结构，支柱结构的摩擦阻力在船体总阻力中所占比重较高。目前相关研究结果表示，通气减阻是一种可行的方式并且减阻率较高。但通气装置构造复杂，可靠性低，通气所需的功率较大，还需要流量调控装置辅助通气，并且会对船体操纵稳定性产生影响，这些都是亟待解决的问题。
发明内容
本发明用于解决如上所述的问题，其提供了一种无需气泵以及流量调控装置且无需额外能量输入的小水线面双体船自动吸气支柱结构，利用压差自然进气，与来流形成气水混合物，包覆支柱水下部分，从而减小摩擦阻力。本发明对自动吸气支柱结构及支柱外形进行了设计。
本发明的目的是这样实现的：每个支柱结构包括水上部分和水下部分，在支柱结构上设置有至少一组自动吸气单元，每组自动吸气单元包括设置在水上部分内侧表面上的进气口、与进气口连通的进气涵道、与进气涵道端部连接的出气口，水下部分的前端设置有尖锐迎流面，水下部分设置有竖直的骤缩截面和气体导流面，小水线面双体船运动时，气体被均匀分布在支柱两侧，与来流混合形成气水混合物并向后延伸覆盖水下部分的支柱结构。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.迎流面在支柱结构原有厚度范围内进行缓慢扩张，并与骤缩截面形成一个体积骤缩区。
2.所述导流面是由两个斜面组成的锥面。
3.自动吸气单元的个数与支柱结构的长度成正比例。
4.进气涵道沿支柱形状设计成直道。
5.支柱结构的水上部分与水下部分之间的夹角为钝角，支柱水下部分与水面垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的核心在于，所述结构的尖锐迎流面5后方设置一个骤缩截面4，该处体积骤缩形成低压区，低压区与出气口相邻，通过支柱内部的进气涵道2与外界大气连通，以达到自动吸气并自动调节进气量的目的。当航行体航行时，气体被吸入水下并与来流混合，形成气水混合物包覆水下部分支柱表面。压差随着航速的变化而同步变化，进气量也会随之改变。本发明的关键之处在于，考虑了通气装置功耗、可靠性以及流量调控等问题，从根本上解决了功耗问题，实现了自动吸气，进气量自动与航行速度匹配，保证了气水混合物的稳定性。气水混合物运动粘度远低于水的运动粘度，通过气水混合物的覆盖，支柱表面所受的摩擦阻力显著降低。通过自动吸气以及自动调控流量，降低了功耗，相比于传统通气装置，结构简单，降低了成本并提高了结构可靠性。将进气涵道2沿支柱方向设置成直道，尽量降低了气体的沿程阻力，提高了吸气效率。利用压差将航速与进气量相匹配，省去了流量调控装置和气泵，为支柱内部留出了其他设计空间，降低了设计难度，气水混合物也更稳定。支柱7水上部分横向扩张，保证了船体的稳定性，水下部分与水面垂直，避免了对气水混合物稳定性产生影响。
附图说明
图1a为本发明立体图；
图1b为本发明立体透视图；
图2a为本发明支柱前缘示意图；
图2b为本发明支柱前缘透视图；
图3a为本发明侧视图；
图3b为本发明正视图；
图4a为本发明支柱水下部分横截面图；
图4b为本发明支柱水下部分立体图；
图4c为本发明气体流向示意图；
图5为本发明技术实现效果示意图。
附图中各编号具体名称如下1－进气口；2－进气涵道；3－出气口；4－骤缩截面；5－尖锐迎流面；6－气体导流面；7－支柱。
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。
结合图1至图5，本发明的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，结构包括1－进气口；2－进气涵道；3－出气口；4－骤缩截面；5－尖锐迎流面；6－气体导流面；7－支柱；所述进气口位于支柱上端的内侧，进气涵道位于支柱内部，将进气口、出气口连通，出气口前方是骤缩截面，骤缩面前方为尖锐迎流面，出气口后方为气体导流面。支柱7由水上和水下两部分组成，水下部分支柱的前缘迎流面5较尖锐，与水平面垂直；水上部分支柱较厚，向船体两侧横向延伸，维持船体的横向稳定性，在来流纵向上向两侧扩张以维持船体水面部分的纵向稳定性，与水下部分支柱呈一个钝角。所述骤缩截面4为迎流面后方体积骤缩的表面，后方为出气口，当小水线面船运动时，水面上的大气会由进气口流经进气涵道，由出气口排出，经过气体导流面，被均匀分布在支柱两侧，与来流混合形成气水混合物并向后延伸覆盖水下部分的支柱，进而实现减阻的目的。
对支柱7外形进行设计，图1a、图1b以及图3b显示了支柱的立体外形。为了保证双体船的横向稳定性，支柱横向向外扩张，同时为了避免斜支柱对气水混合物包覆稳定性的影响，支柱下半部分与水面垂直，与上半部分呈一个钝角。支柱上半部分沿来流方向往两侧扩张，提高了双体船的纵向稳定性。
对进气口及进气涵道进行设计，图1b以及图2b显示了进气口和进气涵道的位置。进气口1设置在支柱内侧，避免海浪由进气口进入进气涵道影响气水混合物稳定性。进气涵道2沿支柱形状设计成直道，空气沿程阻力降到最低，尽可能避免引入不必要阻力的同时提高了吸气效率。
对迎流面5及骤缩截面4进行设计，如图2a以及图2b所示。由于支柱前缘迎流面较大，设计成大尺寸扩张外形会带来较大阻力。并且由于支柱侧面自动吸气，会导致来流通路变窄，来流压力增大，来流压力增大同样会作用在迎流面上，故将迎流面设置成尖锐外形，缓慢扩张，在保证空化效率的前提下尽可能降低由于迎流面较大以及来流压力增大导致的阻力增大。骤缩截面4为迎流面5后方的骤缩表面。迎流面在支柱原有厚度范围内进行缓慢扩张，并与骤缩面形成一个体积骤缩区，产生了低压区，同时也降低了支柱前缘带来的阻力。
对出气口3及导流面6的设计，如图4a、图4b以及图4c所示。将出气口3连接在骤缩截面4后方，一方面降低了由骤缩截面4产生的压差引起的压差阻力，另一方面实现了自动吸气。吸气效率由压差决定，而压差由航行速度决定，故而吸气效率会与航行速度相匹配，在没有流量调控装置的情况下也能维持不同航速下气水混合物的稳定性。导流面为由两个斜面构成的锥面，结合支柱结合本申请可以理解为导流面设置成一个带有锐角的三棱柱，一方面让气体快速扩展到水下部分支柱两侧形成气水混合物，另一方面将气体导流，避免了存在横向来流时，支柱两侧气体分布不均匀的问题。
本专利具体实现过程。进气口1处为一个标准大气压，出气口3位于骤缩截面4后方。由伯努利原理可知，船体运行时，出气口3处比进气口1压力低。由进气涵道连通后，外部大气会由于压差的作用从进气口1流向出气口3，经导流面6向两侧均匀分流，与越过迎流面5的来流进行混合，从而生成气水混合物覆盖于水下部分支柱表面。气水混合物运动粘度低于水的运动粘度，故而能实现减阻的目的。考虑气水混合物会因重力上漂，为保证较好的减阻效果，可根据支柱长度设置自吸气结构个数。
对于具体尺寸的小水线面双体船，运用提出的自动吸气支柱结构，可以得到多个迎流面与导流面角度、骤缩截面4位置、进气口和出气口尺寸、外壳形状、进气涵道布置的设计方案，并对这些方案进行数值模拟计算，通过仿真结果分析讨论，可以得到最佳减阻效果的方案。
综上，本发明是一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构。包括1－进气口；2－进气涵道；3－出气口；4－骤缩截面；5－尖锐迎流面；6－气体导流面；7－支柱。进气口1处的大气为一个标准大气压。进气涵道2将进气口1与出气口3连通，出气口位于骤缩截面4后方的体积骤缩区域。船体运行时，出气口3位置会形成一个低压区，外界大气会被吸入液面下并由出气口3排出，从而实现支柱自动吸气。气体由导流面6向后排出，均匀快速往支柱两侧分流，与来流混合形成气水混合物，覆盖后方水下部分支柱表面。随着航行速度提高，来流动压增大，由伯努利原理可知，低压区的静压会相应降低，吸气效率同步提升，解决了通气量与航行速度不匹配导致气水混合物不稳定的问题。支柱7的外形充分考虑了船体横向与纵向稳定性问题以及气水混合物稳定性问题，进行了一定设计。本发明解决了人工通气装置构造复杂，并且通气所需功率较大，需要流量调控装置辅助通气等问题，简化了通气结构，实现了船舶节能。

Claims (10)

1.一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，每个支柱结构包括水上部分和水下部分，其特征在于：在支柱结构上设置有至少一组自动吸气单元，每组自动吸气单元包括设置在水上部分内侧表面上的进气口、与进气口连通的进气涵道、与进气涵道端部连接的出气口，水下部分的前端设置有尖锐迎流面，水下部分设置有竖直的骤缩截面和气体导流面，小水线面双体船运动时，气体被均匀分布在支柱两侧，与来流混合形成气水混合物并向后延伸覆盖水下部分的支柱结构。
2.根据权利要求1所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：迎流面在支柱结构原有厚度范围内进行缓慢扩张，并与骤缩截面形成一个体积骤缩区。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：所述导流面是由两个斜面组成的锥面。
4.根据权利要求1或2所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：自动吸气单元的个数与支柱结构的长度成正比例。
5.根据权利要求3所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：自动吸气单元的个数与支柱结构的长度成正比例。
6.根据权利要求1或2所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：进气涵道沿支柱形状设计成直道。
7.根据权利要求3所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：进气涵道沿支柱形状设计成直道。
8.根据权利要求4所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：进气涵道沿支柱形状设计成直道。
9.根据权利要求5所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：进气涵道沿支柱形状设计成直道。
10.根据权利要求1或2所述的一种应用于小水线面双体船的自动吸气支柱结构，其特征在于：支柱结构的水上部分与水下部分之间的夹角为钝角，支柱水下部分与水面垂直。
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