CN112977713B - 一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器及船舶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器及船舶，增设第一迎流面，且第一迎流面与底面垂直，能够产生附加涡流，并与主涡流叠加，得到尾迹增大，能量增强的混合涡流。当混合涡流传递到船艉流动滞后区时，可抑制流动分离，遏制过度低压区的产生，减小螺旋桨叶片处伴流的变化梯度，使该位置处空泡平稳的发展，降低由于空泡产生的脉动压力，从而达到减震的效果，同时减小航行阻力。

Description

一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器及船舶

技术领域

本发明涉及航海运输技术领域，具体涉及一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器及船舶。

背景技术

大范围分离流动现象广泛存在于航空、航天、航海、风工程等领域。大分离流动通常表现出强烈的非定常旋涡脱落，伴随着阻力增加、升力降低、产生噪声，甚至引起结构的振动而产生疲劳破坏。

近些年，涡流发生器作为一种新型的流动分离控制手段在航天、航空、船舶工程等领域广泛应用，其主要通过与迎面流动作用产生高能量的涡对，该涡对与其下游的低能量边界层流动混合后，把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在物体表面而不致分离，从而降低流动阻力，避免过大的能量损耗。

由于涡流发生器使用场合不同、使用目的差异，涡流发生器种类众多，形态各异，其控制效果和控制性能也有所不同。目前在航空器、大型轮船、风机叶片中应用较多的涡流发生器有矩形翼、三角形翼、梯形翼等。

而在现代航运中，大型船舶方形系数高，进流段陡，去流角大，航行时常伴生舭涡和尾部流动分离，加剧流场的非均匀性，在螺旋桨叶处产生空泡、振动和噪声等，增加船舶阻力。常见的涡流发生器尾流存在产生的涡量小，涡的强度不够大，尾涡的展向和流向强度作用不够明显等问题导致上述涡流发生器在船尾边界层控制效果不佳。

发明内容

为了解决因涡流发生器产生的涡流小且强度低导致船舶的螺旋桨叶处产生空泡、振动和噪声，船舶阻力增大等问题，本发明提出了一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器,包括：

底面，用于与船舶连接；

第一涡流发生区，与所述底面相接，用于制造第一涡流；所述第一涡流发生区包括第一迎流面，所述第一迎流面与所述底面垂直；

第二涡流发生区，与所述第一涡流发生区远离所述底面的一端连接，用于制造第二涡流；

涡流混合区，所述涡流混合区一端与所述第二涡流发生区相接，另一端与所述底面相接；所述涡流混合区用于将第一涡流与第二涡流混合。

进一步地，所述第二涡流发生区包括第二迎流面和第三迎流面；所述第二迎流面的一端与所述第一迎流面相接，另一端与所述第三迎流面相接；

所述第二迎流面与所述底面所成夹角为第一夹角，所述第三迎流面与所述底面所成的最小夹角为第二夹角，且所述第一夹角小于第二夹角。

进一步地，所述底面包括第一曲边和第二曲边，所述第一曲边的一端与所述第二曲边的一端相接，所述第一曲边的另一端与所述第二曲边的另一端相接；

由所述第一曲边朝向垂直所述底面方向延伸形成第一迎流面，所述第一迎流面包括第三曲边，所述第三曲边的一端与所述第一曲边相接，所述第三曲边的另一端与所述第一曲边的另一端相接。

进一步地，所述涡流混合区包括侧面，所述侧面的一端与所述底面远离所述第一迎流面的一端相接，所述侧面的另一端与所述第三迎流面远离所述第二迎流面的一端相接。

进一步地，由所述第二曲边朝向垂直所述底面方向延伸形成所述侧面，所述侧面与所述第一迎流面处于所述底面的同一侧；所述侧面包括第四曲边，所述第四曲边的一端与所述第二曲边的一端相接，所述第四曲边的另一端与所述第二曲边的另一端相接。

进一步地，所述第三迎流面包括由所述第四曲边朝向第二迎流面方向延伸形成的弧面；

所述第三迎流面与所述底面的夹角由所述第四曲边的两端朝向所述第四曲边的中点方向逐渐减小。

进一步地，所述涡流发生器具有对称轴，所述底面、所述第一涡流发生区、所述第二涡流发生区和所述涡流混合区均关于所述对称轴对称。

进一步地，所述第一夹角处于30°-35°之间。

进一步地，在所述对称轴的位置处第三迎流面与底面的夹角为第二夹角。

本发明还公开了一种船舶，包括至少一个涡流发生器，所述底面与所述船舶的行进方向平行，且所述底面与所述船舶贴合。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)增设第一迎流面，且第一迎流面与底面垂直，能够产生附加涡流，并与主涡流叠加，得到尾迹增大，能量增强的混合涡流。当混合涡流传递到船艉流动滞后区时，可抑制流动分离，遏制过度低压区的产生，减小螺旋桨叶片处伴流的变化梯度，使该位置处空泡平稳的发展，降低由于空泡产生的脉动压力，从而达到减震的效果，同时减小航行阻力。

(2)第一迎流面设置朝向侧面方向的凹陷，使其具有收拢作用的将附加涡流传递至第二迎流面，使得附加涡流更集中，不会四周分散。

(3)侧面设置背离第一迎流面方向的凸起，使得侧面呈外凸状，可扩大涡流的尾迹范围，增强尾涡对尾流场的展现作用，扩大涡流尾部的影响范围。

(4)第三迎流面为弧面，且该弧面与底面的夹角由两端向中心逐渐减小，使得该弧面在制造主涡流时，能够将涡流引导(或表述为聚拢)至弧面的中心处，使涡流更集中，能量更强。

(5)涡流发生器关于对称轴对称，使得对称轴左右两侧的部位所产生的涡流大小一致，在附加涡流与主涡流的集中、叠加和分散时都能更均匀。

附图说明

图1为实施例中涡流发生器的结构示意图；

图2为图1另一方向的结构示意图；

图中：

1、底面；2、第一迎流面；3、第二迎流面；4、侧面；5、第三迎流面；6、第一曲边；7、第二曲边；8、第三曲边；9、第四曲边；10、对称轴。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

请参照图1-图2，本发明公开了一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器,包括：

底面1，用于与船舶连接；

第一涡流发生区，与所述底面1相接，用于制造第一涡流；所述第一涡流发生区包括第一迎流面2，所述第一迎流面2与所述底面1垂直；

第二涡流发生区，与所述第一涡流发生区远离所述底面1的一端连接，用于制造第二涡流；

涡流混合区，所述涡流混合区一端与所述第二涡流发生区相接，另一端与所述底面1相接；所述涡流混合区用于将第一涡流与第二涡流混合。

具体地，第一涡流发生区中的第一迎流面2产生附加涡流，第二涡流发生区产生主涡流，并且主涡流与附加涡流在涡流混合区进行叠加混合，得到尾迹增大，能量增强的混合涡流。当混合涡流传递到船艉流动滞后区时，可抑制流动分离，遏制过度低压区的产生，减小螺旋桨叶片处伴流的变化梯度，使该位置处空泡平稳的发展，降低由于空泡产生的脉动压力，从而达到减震的效果，同时减小航行阻力。

在安装时，底面1与船舶贴合，底面1与船舶的行进方向平行，即底面1与水流方向平行。由于底面1与第一迎流面2与底面1垂直，且底面1与船体贴合，那么水流在流至第一迎流面2时，形成附加涡流后势必向第二涡流发生区方向流动，并在涡流混合区与主涡流叠加。

进一步地，所述第二涡流发生区包括第二迎流面3和第三迎流面5；所述第二迎流面3的一端与所述第一迎流面2相接，另一端与所述第三迎流面5相接；

所述第二迎流面3与所述底面1所成夹角为第一夹角，所述第三迎流面5与所述底面1所成的最小夹角为第二夹角，且所述第一夹角小于第二夹角。

具体的，附加涡流从第一迎流面2产生，经过第二迎流面3和第三迎流面5达到涡流混合区；水流从第二迎流面3流至第三迎流面5时，由于第一夹角小于第二夹角，使得第三迎流面5处能产生湍流扰动制造出主涡流来，该主涡流继续流动至涡流混合区，与附加涡流叠加。

进一步地，所述底面1包括第一曲边6和第二曲边7，所述第一曲边6的一端与所述第二曲边7的一端相接，所述第一曲边6的另一端与所述第二曲边7的另一端相接；

由所述第一曲边6朝向垂直所述底面1方向延伸形成第一迎流面2，所述第一迎流面2包括第三曲边8，所述第三曲边8的一端与所述第一曲边6相接，所述第三曲边8的另一端与所述第一曲边6的另一端相接。

进一步地，所述涡流混合区包括侧面4，所述侧面4的一端与所述底面1远离所述第一迎流面2的一端相接，所述侧面4的另一端与所述第三迎流面5远离所述第二迎流面3的一端相接。

进一步地，由所述第二曲边7朝向垂直所述底面1方向延伸形成所述侧面4，所述侧面4与所述第一迎流面2处于所述底面1的同一侧；所述侧面4包括第四曲边9，所述第四曲边9的一端与所述第二曲边7的一端相接，所述第四曲边9的另一端与所述第二曲边7的另一端相接。

进一步地，所述第三迎流面5包括由所述第四曲边9朝向第二迎流面3方向延伸形成的弧面；

所述第三迎流面5与所述底面1的夹角由所述第四曲边9的两端朝向所述第四曲边9的中点方向逐渐减小。

具体地，本实施例中的涡流发生器大致呈马蹄状设置，包括底面1、与底面1垂直的第一迎流面2和侧面4、与第一迎流面2相接的第二迎流面3、与第二迎流面3相接的第三迎流面5，且第三迎流面5与侧面4相接。底面1具有两个曲边(第一曲边6和第二曲边7)，且两曲边的弯曲方向相同，也就是说，第一迎流面2与侧面4的凹陷方向相同；即，第一迎流面2朝向侧面4方向凹陷，侧面4朝向背离第一迎流面2的方向凸起；第一迎流面2设置凹陷的好处在于，第一迎流面2具有收拢作用的将附加涡流传递至第二迎流面3，使得附加涡流更集中，不会四周分散；侧面4设置凸起的好处在于，使得侧面4呈外凸状，可扩大涡流的尾迹范围，增强尾涡对尾流场的展现作用，扩大涡流尾部的影响范围。

其中，第三迎流面5为弧面，且该弧面与底面1的夹角由两端向中心逐渐减小，使得该弧面在制造主涡流时，能够将涡流引导(或表述为聚拢)至弧面的中心处，使涡流更集中，能量更强；而后传递至侧面4与附加涡流叠加，由于侧面4呈外凸型设置，使叠加涡流的尾迹范围更大，能辐射更大区域。

进一步地，所述涡流发生器具有对称轴10，所述底面1、所述第一涡流发生区、所述第二涡流发生区和所述涡流混合区均关于所述对称轴10对称。

涡流发生器关于对称轴10对称，使得对称轴10左右两侧的部位所产生的涡流大小一致，在附加涡流与主涡流的集中、叠加和分散时都能更均匀。

进一步地，所述第一夹角处于30°-35°之间。

进一步地，在所述对称轴10的位置处第三迎流面5与底面1的夹角为第二夹角。

经多次试验得出，在第一夹角为33.7°时，制造出的主涡流最佳，且此时主涡流与附加涡流叠加后形成的加强涡能量增幅最大。

本发明还公开了一种船舶，包括至少一个涡流发生器，所述底面1与所述船舶的行进方向平行，且所述底面1与所述船舶贴合。

船舶的行进方向即为水流的流动方向，底面1与水流流动方向平行，且底面1与船舶贴合，使得水流在附加涡流在流至第一迎流面2时无法向底面1流出，而只能流至第二涡流发生区。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器,其特征在于，包括：

底面，用于与船舶连接；

第一涡流发生区，与所述底面相接，用于制造第一涡流；所述第一涡流发生区包括第一迎流面，所述第一迎流面与所述底面垂直；

第二涡流发生区，与所述第一涡流发生区远离所述底面的一端连接，用于制造第二涡流；

涡流混合区，所述涡流混合区一端与所述第二涡流发生区相接，另一端与所述底面相接；所述涡流混合区用于将第一涡流与第二涡流混合；

所述第二涡流发生区包括第二迎流面和第三迎流面；所述第二迎流面的一端与所述第一迎流面相接，另一端与所述第三迎流面相接；

所述第二迎流面与所述底面所成夹角为第一夹角，所述第三迎流面与所述底面所成的最小夹角为第二夹角，且所述第一夹角小于第二夹角；

所述底面包括第一曲边和第二曲边，所述第一曲边的一端与所述第二曲边的一端相接，所述第一曲边的另一端与所述第二曲边的另一端相接；

由所述第一曲边朝向垂直所述底面方向延伸形成第一迎流面，所述第一迎流面包括第三曲边，所述第三曲边的一端与所述第一曲边相接，所述第三曲边的另一端与所述第一曲边的另一端相接；

所述涡流混合区包括侧面，所述侧面的一端与所述底面远离所述第一迎流面的一端相接，所述侧面的另一端与所述第三迎流面远离所述第二迎流面的一端相接；

由所述第二曲边朝向垂直所述底面方向延伸形成所述侧面，所述侧面与所述第一迎流面处于所述底面的同一侧；所述侧面包括第四曲边，所述第四曲边的一端与所述第二曲边的一端相接，所述第四曲边的另一端与所述第二曲边的另一端相接；

所述第三迎流面包括由所述第四曲边朝向第二迎流面方向延伸形成的弧面；

所述第三迎流面与所述底面的夹角由所述第四曲边的两端朝向所述第四曲边的中点方向逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器，其特征在于，所述涡流发生器具有对称轴，所述底面、所述第一涡流发生区、所述第二涡流发生区和所述涡流混合区均关于所述对称轴对称。

3.根据权利要求2所述的一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器，其特征在于，所述第一夹角处于30°-35°之间。

4.根据权利要求3所述的一种用于螺旋桨式船舶的涡流发生器，其特征在于，在所述对称轴的位置处第三迎流面与底面的夹角为第二夹角。

5.一种船舶，包括至少一个如权利要求1-4中任一项所述的涡流发生器，其特征在于，所述底面与所述船舶的行进方向平行，且所述底面与所述船舶贴合。

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