CN1702016A

CN1702016A - 一种减小水阻力的船体

Info

Publication number: CN1702016A
Application number: CN 200510026098
Authority: CN
Inventors: 熊思官
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2005-11-30

Abstract

本发明涉及一种减小水阻力的船体，它的船体底板及船体吃水部分平行于底板的横截面的头部和尾部都是尖劈形，特别是尖三角形，吃水部分的船体侧板垂直于船体底板。舰船甲板可为椭圆形、梭形或其它形状，它的结构和功能可与现有的舰船等同，舰船甲板与吃水部分的船体侧板之间有弧面过度。可将均为尖三角形的船体底板的头部和尾部连成一体，构成菱形船体底板；也可将船体底板的头部和尾部设计为尖劈形或尖三角形，其中部为矩形或鼓形。本发明能大大降低整个船体所受水阻力，具有可以提高航速、节约能源从而降低航行费用，减少排污、有利环保，稳定性好，便于制造等优点。

Description

一种减小水阻力的船体

技术领域本发明涉及一种船体，特别是一种减小水阻力的船体。

背景技术现有的舰船船体头部多为圆弧或尖角形，而其船体尾部往往做成垂直平面状，根据尾部阻力效应，这种船体在航行时受到的水阻力仍很大，需要寻求进一步减小水阻力的新型船体设计方案。

发明内容本发明的目的是提供能降低整个船体所受水阻力的一种减小水阻力的船体。

本发明是通过下列技术方案实现的：一种减小水阻力的船体，它的船体底板及船体吃水部分平行于底板的横截面的头部和尾部都是尖劈形，特别是尖三角形，吃水部分的船体侧板垂直于船体底板。舰船甲板可为椭圆形、梭形或其它形状，它的结构和功能可与现有的舰船等同，舰船甲板与吃水部分的船体侧板之间有弧面过度。可将均为尖三角形的船体底板的头部和尾部连成一体，构成菱形船体底板；也可将船体底板的头部和尾部设计为尖劈形或尖三角形，其中部为矩形或鼓形。

船体在水中航行时由于自身具有一定的迎水面积而引起水阻力作用，我把这种水阻力作用叫做迎水截面水阻力。实际船只由于吃水部分船体的外表面不是理想光滑的，因此还会受到水粘滞力作用，但是截面水阻力比水粘滞力大很多，因此，我在这里主要讨论截面水阻力作用。下面推导截面水阻力表达式时具备的条件是运动体为封闭的，且自身具有一定的吃水截面，即迎水面，下面先推导迎水垂直截面的水阻力公式。

设垂直于船体运动方向的吃水垂直截面积为S，船体自身质量为M，水密度为ρ，船体在匀速航行时的速度为V，吃水垂直截面以速度V撞击前面一d1厚的静止垂直水层微元，作用时间为dt，则在撞击后，被撞击的垂直水层微元也以相同的速度V向前运动，有dl＝Vdt，则引起的垂直水层微元的动量变化为dP＝dmV，dm＝dlSρ＝VdtSρ，则dP＝VdtSρ×V＝dtSρV²，另外，垂直水层微元受到的冲量dI＝Fdt，根据动量定理垂直水层微元受到的冲量等于动量的变化，dP＝dI，即dtSρV²＝Fdt，约去dt，得到F＝SρV²。这个F就是吃水垂直截面对水的作用力，根据作用力与反作用力原理，F也就是水对吃水垂直截面的阻力，即迎水垂直截面水阻力。

再来推导迎水斜截面水阻力公式：设吃水斜截面的倾角为θ(斜截面与船体运动方向的夹角)，吃水垂直截面积为S，吃水斜截面的面积为S/sinθ，具有吃水斜截面的船体自身质量为M，水密度为ρ，船体在匀速航行时的速度为V，吃水斜截面以速度Vsinθ撞击前面一dl厚的倾角为θ的倾斜静止水层微元，作用时间为dt，则在撞击后，被撞击的倾斜静止水层微元以速度Vsinθ向前运动，有dl＝Vsinθdt，则引起的倾斜水层微元的动量变化为dP＝dmVsinθ，dm＝dl×S/sinθρ＝Vsinθdt×S/sinθρ＝VdtSρ，则dP＝VdtSρ×Vsinθ＝dtSρV²sinθ，另外，垂直水层微元受到的冲量dI＝Fdt，根据动量定理有，dP＝dI，即dtSρV²sinθ＝Fdt，约去dt，得到F＝SρV²sinθ，这个F表示的是水对斜截面的垂直水阻力，可以分解为两个方向的分力，一个是与运动方向一致的水阻力，另一个是与运动方向垂直的水作用力，我们知道与运动方向一致的水阻力才会对船体的前进做负功，因此船体受到的有效水阻力，即迎水斜截面水阻力的公式为：F＝SρV²sinθ×sinθ＝SρV²sin²θ。

船体在水中航行时不仅遇到船体运动方向的迎面水阻力，同时也受到吃水船体的尾部水阻力作用。船体向前航行时，设吃水船体尾部在微小的时间内驶离了某个区域，这个区域立即会被周围的水迅速补充，也就是说时时刻刻都有水分子以其特定的速度尾随着吃水船体尾部的运动，都要引起水动量的变化，导致受到水阻力的作用。因此，船体在水中航行时，头部和尾部都要引起水的运动，且二者引起水的运动的效果是一样的，当其形状都一样时，它们受到的水阻力也相同。所以，设计吃水船体形状时，不但要考虑吃水船体头部，而且也考虑吃水船体尾部。当我们把吃水船体设计成菱型时，吃水船体尾部和头部都是尖状，由于对称性，左右方向水阻力的作用分力相互抵消了，船体只受到与运动方向一致的截面水阻力，这个有效截面水阻力表达式为F＝2SρV2sin²θ(头部水阻力与尾部水阻力各为：F₁＝SρV²sin²θ)。其中θ为头部(尾部)尖角的一半，S为吃水船体的最大垂直截面积，ρ为水的密度，V为船体自身航行的速度。从上式中可以看到，船体受到的水阻力与吃水船体头部和尾部的尖角有关，且与θ正弦的平方成正比。减小头尾部的尖角，将成倍地降低船体受到的水阻力。如果将均为尖三角形的船体底板的头部和尾部连成一体，构成菱形船体底板，这样在船体设计任务书所要求的长度和宽度尺寸内，可使头尾部尖状程度最大，即其尖角最小，所以菱形船体在航行时受到的水阻力最小。

本发明提供的一种减小水阻力的船体与现有的舰船相比，能大大降低整个船体所受水阻力，这种技术在舰船制造业实施应用后，可大幅度提高军舰或船舶的航行速度，从而能大大提高我国海军的防御作战能力和民用船舶的运输能力，或者舰船在传统的航速下航行，则可大大的节约能源，降低航行费用。菱形船体具有很好的稳定性，并且在快速航行时不会产生船头抬升而船尾下降的现象，而是一直保持水平状态。菱型船体是非常规则的简单几何体，其制造工艺比目前的船体要简单很多，从而可缩短制造工期和降低制造成本。总之，本发明具有可以提高航速、节约能源从而降低航行费用，减少排污、有利环保，稳定性好，便于制造等优点。

附图说明下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是菱形船体底板的示意图。

图2是菱形船体吃水部分的示意图。

图3是配有椭圆甲板的菱型船体的示意图。

图4是配有梭形甲板的菱型船体的示意图。

图5是两端为尖劈形，中部为鼓形的船体底板示意图。

具体实施方案实施例如图1-2所示：一种减小水阻力的船体，它的船船体底板(1)及船体吃水部分平行于底板的横截面的头部和尾部是连成一体的尖三角形，构成水阻力为最小的菱形船体。吃水部分的船体侧板(2)垂直于船体底板(1)。船体底板(1)，吃水部分的船体侧板(1)与船体上部甲板(3)之间有弧面过度。

实施例1：配有椭圆甲板的菱型船体军舰(图3)与深圳号驱逐舰的比较：深圳号，旅海级(051B型)导弹驱逐舰：

排水量：6000吨(满载)。

主尺寸：全长153米；宽16.5米；吃水6米。

主机：CODOG，48600马力。

航速：30节。

按下列公式计算菱型船体军舰的对应参数：

排水量＝舰长×舰宽×吃水高/2，单位为吨；

最大垂直截面S＝舰宽×吃水高，单位为平方米；

θ为头部(尾部)尖角的一半，sin²θ＝舰宽的平方/舰宽与舰长的平方和；

ρ＝1000吨每立方米；动力＝2sin²θSρV³(/735)，单位为瓦(马力)

设二者之间的主尺寸相同，则菱型船体军舰的排水量为7573.5吨，略大于深圳号。以同样主机动力算出来的航速为25米每秒，合48节(航速1节即时速1海里，1海里约为1852米)，比167深圳号大18节；以同样航速算出来的主机动力为12000马力，是深圳号动力的四分之一，亦即耗能比它节约了四分之三。从耗能上看，菱型船体军舰已比现有的舰船少很多。

实施例2：配有梭形甲板的菱型船体军舰(图4)与珠海号驱逐舰的比较：珠海号，旅大口级(051G2型)：

排水量：3250吨(标准)，3670吨(满载)

主尺寸：长132米，宽12.8米，吃水4.6米

主机：2台锅炉，2台蒸汽轮机，72000马力，双轴

航速：32节

设二者之间的主尺寸相同，则菱型船体军舰的排水量为3886吨，略大于166珠海号的满载排水量。以同样主机动力算出来的航速为36.3米每秒，合70节，是珠海号航速的两倍多；以同样航速算出来的主机动力为7000马力，是珠海号动力的十分之一，亦即耗能比它节约了十分之九。

实施例3：配有航母甲板的菱型船体航空母舰与美国尼米兹级核动力航母的比较：

美国尼米兹级核动力航母

排水量：72916吨(轻载)，1487吨(满载)

主尺寸：长332.9米，宽40.8米，吃水11.3-11.9米

主机：2座通用电气(GE)A4W/AlG压水堆，4台蒸汽轮机，260000马力；

4台应急柴油机，10720马力，4轴

航速：30节

设二者之间的主尺寸相同，则菱型船体航母的排水量为80815吨(总长332.9米，舰体宽40.8米，吃水11.9米)，与尼米兹级核动力航母的满载排水量少10672吨，但大体相当。同样主机动力算出来的航速为23.5米每秒，合45节，比尼米兹级航母航速大15节；以相同航速算出来的主机动力为75338马力，是尼米兹级航母动力(260000马力)的3.5分之1，由此可见，应用菱型船体技术制造的航母比尼米兹级核动力航母可以节省大量燃料。

以上均是理想状态菱型船体的军舰或航母与当前实际军舰或航母的数据比较，理想状态也即假设吃水菱型船体外表面光滑，只考虑截面水阻力，不考虑水粘滞力。其实在船体的实际航行中，船体是受到截面水阻力和水粘滞力两种水阻力的作用，但是截面水阻力比水粘滞力要大的多。因此以上比较考虑了主要因素截面水阻力作用，而忽略了次要因素水粘滞力作用。

实施例4：对于需要宽体船舱的舰船，也可将船体底板的头部和尾部设计为尖劈形或尖三角形，其中部为矩形或鼓形(图5)。

Claims

1.一种减小水阻力的船体，它由船体底板和船体侧板组成，其特征在于：船体底板(1)及船体吃水部分平行于底板的横截面的头部和尾部都是尖劈形，吃水部分的船体侧板(2)垂直于船体底板(1)。

2.根据权利要求1所述的一种减小水阻力的船体，其特征在于：船体底板(1)及船体吃水部分平行于底板的横截面的头部和尾部都是尖三角形。

3.根据权利要求1所述的一种减小水阻力的船体，其特征在于：吃水部分的船体侧板(1)与船体上部甲板(3)之间有弧面过度。