CN1378946A - 通过船舶的船体表面紊流控制减少阻力的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过控制船舶的船体表面紊流来减小阻力的方法及装置,本发明的方法及装置,其特征是,吸入及喷出沿船舶的船体表面流动的流体,使紊流的流动波长变化,调节与船体表面所成喷射角或吸入·喷出频率,使摩擦阻力减小,为此,包括:设置在船舶的船体表面、形成多个狭缝的管壳,设置在前述管壳内部、通过空气的泵送进行收缩和膨胀的具有柔性的空气管,为了使该空气管收缩、膨胀而设于前述船体内的规定位置上的、可向前述空气管给气的泵;内装具有柔性的空气管的管壳设置于船体表面内侧或外侧,通过泵使前述空气管收缩、膨胀,通过狭缝吸入、喷出流体,改变形成于船体表面的紊流的流动波长,以减小摩擦阻力。

Description

通过船舶的船体表面紊流控制减少阻力的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的方法及装置，更详细地说，涉及一种通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的方法及装置，所述方法及装置是通过反复进行沿船舶的船体表面流动的流体的吸入和喷射来控制紊流，由此减小船体的摩擦阻力从而节省能量。
背景技术
船舶在航海时，由船体表面产生的涡流造成的船体表面摩擦阻力在大型油槽船的情况下具有占总阻力的80％以上的很大的比重。
现在，针对如何减小这样的船体表面摩擦阻力的研究非常多，正在进行的研究有从船头喷出空气的方法或喷出浆液的方法等，但是在获得摩擦阻力的减小效果方面有很多困难。
发明内容
本发明是为了解决前述问题而提出的，其目的在于提供一种通过船舶的船体表面紊流控制来减小阻力的方法，该方法是吸入和喷出沿船舶的船体表面流动的流体，调节与船体表面形成的喷射角和频率等以控制船体表面的紊流。
本发明的另一个目的在于提供一种通过船舶的船体表面紊流控制来减小阻力的装置，该装置是通过沿船舶的船体表面设置内装具有柔性的空气管或板膜的管壳，反复进行从船体内侧沿表面流动的流体的吸入和喷出操作，来控制船体表面的紊流边界层。
本发明的又一个目的在于在船舶的船头部分或船尾部分设置使用前述具有柔性的空气管或板膜的装置，从而可以局部地控制流动。
本发明的上述目的是这样实现的：一种通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的方法，其中，使吸入和喷出沿船舶的船体表面流动的流体，使紊流的流动波长变化，调节与船体表面形成的喷射角，从而减小摩擦阻力。
本发明所述的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的方法，其中所述喷射角在60°～120°的范围内。
一种通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置，其中包括：
设置在船舶的船体表面上、形成多个狭缝的管壳，
设置在所述管壳内部、通过空气的泵送进行收缩和膨胀的具有柔性的空气管，
为使所述空气管收缩、膨胀而设置在船体内的规定位置上、可向所述空气管给气的泵。
本发明所述的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置，其中该装置包括：沿形成所述多个狭缝的管壳的内部在所述狭缝的上下设置的板膜，与所述板膜连接的第一杆、第二杆，与所述第一杆和第二杆连接的用于驱动所述第一杆和第二杆的马达。
本发明所述的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置，其中，采用所述具有柔性的空气管或板膜的船舶的阻力减小装置局部设置于船头部或船尾部，控制船舶的局部流动。
本发明所述的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置，其中所述管壳位于船体内部。
根据本发明的通过船舶的船体表面紊流控制来减小阻力的方法，在整个船体上吸入和喷出沿船舶的船体表面流动的流体，使紊流的流动波长变化，调节与船体表面形成的喷射角或吸入·喷出频率等，使摩擦阻力减小。
作为用于实现前述本发明的通过船舶的船体表面紊流控制来减小阻力的装置，优选是可以由包括下述部件的装置构成，即包括：设置在船舶的船体表面上的形成多个狭缝的管壳，设置在该管壳内部、进行收缩和膨胀的具有柔性的空气管，与该具有柔性的空气管连接、吸入和压缩空气的泵。
用于实现前述本发明的通过船舶的船体表面紊流控制来减小阻力的装置，优选是其结构可以包括：设置在船舶的船体表面上、形成多个狭缝的管壳，设置在该管壳内部、但位于前述狭缝上下方的板膜，设置在前述狭缝的上部、与上部板膜连接的第一杆，设置在前述狭缝的下部、与下部板膜连接的第二杆，设置在前述船舶内部、连接前述第一杆和第二杆并驱动第一杆和第二杆的马达。
为了实现这样的本发明优选实施例，利用数值解析分析由于局部扰动造成的紊流边界层的流动波长变化，如下对其的详细说明。
附图说明
图1是用于局部吸入和喷射的实验装置的示意图；
图2是表示对于起振频率在多种吸入条件下的壁面摩擦系数的分布图；
图3是表示对于起振频率在多种喷射条件下的壁面摩擦系数的分布图；
图4是表示由喷射角造成的壁面摩擦系数的分布图；
图5是用于说明根据本发明的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的概括的设置图；
图6是表示根据本发明的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的管壳的横向剖视图；
图7是用于说明根据本发明的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的泵的连接状态的正向剖视图；
图8是用于说明根据本发明的另一个实施例的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的侧面详细图；
图9是表示根据本发明的另一个实施例的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的管壳的横向剖视图；
图10是用于说明根据本发明的另一个实施例的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的马达连接状态的正面剖视图；
图11是表示根据本发明的另一个实施例的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的管壳设置于船体内侧的状态的横向剖视图。
具体实施方式
图1是用于局部吸入和喷射的实验装置的示意图，图2是表示对于起振频率在多种吸入条件下的壁面摩擦系数的分布图，图3是表示对于起振频率在多种喷射条件下的壁面摩擦系数的分布图，图4是表示由喷射角造成的壁面摩擦系数的分布。
如图1所示，用于实验的装置配有形成狭缝11的平板10以便代替船体表面，在前述平板10上面的一侧前端设置有脱扣线(トリツプ线)20，紧靠前述脱扣线20的旁边设有表面粗糙的节片(セグメント)30，在前述平板10的狭缝11的下部设有用于局部吸入和局部喷射的扬声器(スピ-カ)40。
在设置有前述脱扣线20的平板10上侧形成由流动而造成的紊流的边界层，通过平板10的缝隙11由扬声器40进行局部吸入和局部喷射。
在这样的前述局部吸入和局部喷射过程中，尽管可以很好地进行喷射，但是从空气的压缩效果来看，并不能很好的进行吸入。因此，由吸入程度来进行数值解析，如图2所示，在离狭缝很近的区域中，在吸入量增加的同时，流动能量很强的流动下降至壁面附近使得壁面摩擦系数增加，但是，若增加一定量以上的吸入量，则由于利用喷射产生的混合流动层在狭缝附近产生反向流动，平均摩擦系数反而进一步减小。并且，在远离狭缝的下游，随着吸入量的增加，壁面摩擦系数减小。
另外，由喷射量的变化而造成的壁面摩擦系数，如图3所示，壁面摩擦系数在远离狭缝的下游不受喷射量增加的影响，而另一方面，在狭缝附近随着喷射量的增加壁面摩擦系数逐渐减小。这种现象是由于在施加喷射时狭缝附近很强的反向流动造成的，施加的喷射越强则反向流动越强，平均摩擦系数逐渐减小。
并且，造成局部扰动的喷射角和壁面摩擦系数的相互关系，如图4所示，与垂直于壁面喷射的情况相比，在成60°角喷射的情况下，在更多的区域内显示出摩擦系数减小的效果。喷射角在90°以上的情况下，由狭缝生成的横向对流速度减小而无法到达下游，所以喷射角越大摩擦系数逐渐减小的区域越小，喷射角在60°以下的情况下，为了抑制喷射时生成的再循环区域的产生，摩擦系数减小的区域反而缩小了。
根据前述数值解析得出的分析结果，参考附图详细说明本发明装置的优选实施例。
在附图中，图5是用于说明根据本发明的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的概括的设置图，图6是表示根据本发明的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置管壳的横向剖视图，图7是用于说明根据本发明的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的泵的连接状态的正向剖视图，图8是用于说明根据本发明的另一个实施例的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的侧面详细图，图9是表示根据本发明的另一个实施例的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的管壳的横向剖视图，图10是用于说明根据本发明的另一个实施例的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置的马达连接状态的正面剖视图，图11是表示根据本发明另一个实施例的通过船舶船体表面紊流控制减小阻力的装置的管壳设置于船体内侧的状态的横向剖视图。
根据前述附图，本发明的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置被区分为采用管壳内部的具有柔性的空气管的情况、和采用通过机械驱动的在管壳内部的板膜的情况。
在采用前述具有柔性的空气管的情况下，如图5至图7所示，呈带状垂直设置沿船舶100的船体表面101形成多个狭缝111的管壳110。这时，前述管壳110优选为流线型中空体，但是也可以是半圆或椭圆形等多种形状，前述狭缝111也可以是圆形孔，优选根据船舶的种类及速度以与船体表面101所成的喷射角形成为60°角的方式定位，但是在60°～120°的范围内可以获得一定效果。
在形成前述狭缝111的管壳110内部设置具有柔性的空气管120，为了使前述具有柔性的空气管120收缩和膨胀，连接有吸入和压缩空气的泵130。这时，与前述具有柔性的空气管120连接的泵130设置在船舶100内部。
另一方面，在采用前述板膜的情况下，如图8至图10所示，呈带状垂直设置沿船舶100的船体表面101形成多个狭缝211的管壳210。在此，前述管壳210优选为流线型中空体，但也可以采用半圆或椭圆形等多种形状，前述狭缝211也可以是圆形孔，优选根据船舶的种类及速度以与船体表面101所成的喷射角形成从60°到120°的角度的方式定位。
在前述管壳210内部设有板膜220，在狭缝211的上下设置上部板膜220a和下部板膜220b。
设置在前述管壳210内部的板膜220连接有第一杆230，使第一杆230只与位于狭缝211上部的上部板膜220a连接，前述板膜220上连接有第二杆240，使第二杆240只与位于狭缝211下部的下部板膜220b连接。
前述第一杆和第二杆230、240，为了对它们进行驱动而用规定的结构连接到马达250上，通过马达250的驱动使第一杆和第二杆230、240上升、下降，借此使板膜220a、220b相对而收缩、膨胀，从而通过狭缝211压出、吸收海水。这时，前述马达250设置在船舶的内部。
另一方面，采用前述柔性空气管120或板膜220的船舶的阻力减小装置局部设置于船舶的船头部102和船尾部103。
下面说明根据这种结构的本发明的通过船体表面紊流控制减小船舶阻力的装置的作用。
首先，在采用前述具有柔性的空气管120的情况下，驱动设置在船舶100内部的泵130，设置在管壳110内部的具有柔性的空气管120若被压缩，则在管壳内膨胀，空气管120内的空气若被排出，则收缩，从而通过狭缝111从壳体内部喷出流体和使流体流入壳体内，以上动作反复进行。
即，通过在前述具有柔性的空气管120对空气进行压缩和排气，使具有柔性的空气管120膨胀和收缩，若前述具有柔性的空气管120收缩，通过狭缝111使船体周围的流体吸入管壳110内部的空间，若使前述具有柔性的空气管120膨胀，则其在管壳110内部空间中扩张，被吸入内部的流体通过狭缝111喷出到管壳110外部。这时，狭缝111优选以与船体表面101构成大约60°的喷射角进行喷射。
另一方面，在采用前述板膜220的情况下，如果驱动马达250，连接到马达250上的第一杆230和第二杆240相互向相反方向上下操作，进行活塞运动，从而使第一杆板膜220a侧下降并压缩，而第二杆220b侧上升，借此从上下方向夹紧狭缝211以进行压缩。在上下方向上同时压缩板膜，内部的流体通过狭缝211喷射到外部。相反，前述第一杆230上升的同时，第二杆240下降，板膜220a、220b之间的空间扩大，吸入与狭缝211接触的流体。
这时，在管壳210中形成的狭缝211优选与船体表面101构成大约60°的喷射角，以便喷射流体。
另一方面，本发明的前述管壳也可以设置在船体内部，与船体壁面之间通过狭缝与外部连通。
采用前述本发明的具有柔性的空气管120或板膜220的流体吸入、喷出，通过在船体外侧整个表面上吸入和喷射流体，通过流体的吸入和以最佳的喷射角喷射流体，扰动沿船体表面流动的流体，抑制在船体表面产生涡流。
并且，在前述船舶的操作舵等局部设置的情况下，由于控制操作舵中的流体流动，所以也可以抑制舵的空穴现象。
如上所述，采用根据本发明的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的方法和装置，利用具有柔性的空气管或板膜的作用，通过流体的吸入和喷射使紊流的流动波长变化，通过调节与船体表面所成的喷射角以减小摩擦阻力，从而抑制船体表面产生涡流，获得减小影响船舶运航的海流阻力的效果。
并且，通过在船舶的操纵舵等局部设置采用前述具有柔性的空气管或板膜的船舶的阻力减小装置，可以用操纵舵控制流体流动，具有抑制舵的空穴现象的效果。

Claims (6)

1、一种通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的方法，其特征在于，使吸入和喷出沿船舶的船体表面流动的流体，使紊流的流动波长变化，调节与船体表面形成的喷射角，从而减小摩擦阻力。
2、如权利要求1所述的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的方法，其特征在于，所述喷射角在60°～120°的范围内。
3、一种通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置，其特征在于，包括：
设置在船舶(100)的船体表面(101)上、形成多个狭缝(111)的管壳(110)，
设置在所述管壳(110)内部、通过空气的泵送进行收缩和膨胀的具有柔性的空气管(120)，
为使所述空气管(120)收缩、膨胀而设置在船体内的规定位置上、可向所述空气管(120)给气的泵(130)。
4、如权利要求3所述的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置，其特征在于，该装置包括：沿形成所述多个狭缝的管壳的内部在所述狭缝的上下设置的板膜(220a、220b)，与所述板膜(220a、220b)连接的第一杆、第二杆(230、240)，与所述第一杆(230)和第二杆(240)连接的用于驱动所述第一杆和第二杆(230、240)的马达(250)。
5、如权利要求3或4所述的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置，其特征在于，采用所述具有柔性的空气管(120)或板膜(220)的船舶的阻力减小装置局部设置于船头部(102)或船尾部(103)，控制船舶(100)的局部流动。
6、如权利要求3或4所述的通过船舶的船体表面紊流控制减小阻力的装置，其特征在于，所述管壳位于船体内部。
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