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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Struktur eines Schiffes und deren Anwendung zur Reduzierung des Strömungswiderstands des Schiffes während des Fahrens, insbesondere ein Schiff mit einem Turbulenzgenerator an der Oberfläche des Rumpfes zur Erzeugung von Turbulenzen, um den Strömungswiderstand des Schiffes zu verringern, und die Anwendung davon.
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Stand der Technik
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Ein Schiff erfährt während des Fahrens im Wasser einen Strömungswiderstand, der die Geschwindigkeit des Schiffes reduziert. Der Strömungswiderstand verursacht nicht nur einen höheren Treibstoffverbrauch, sondern verschleißt darüber hinaus den Motor und den Getriebemechanismus und produziert mehr Abgas und eine längere Fahrzeit, die zur Beendigung der Reise notwendig ist. Die Umweltverschmutzung, der zusätzliche Treibstoffverbrauch und der Zeitverlust sind für den Transportbereich unvermeidbar.
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Obwohl die Stromlinienförmigkeit der Form des Schiffsrumpfes behilflich ist, den Strömungswiderstand zu reduzieren, ist dieser Effekt immer noch begrenzt. In 1A und 1B ist eine perspektivische Ansicht eines konventionellen Schiffes während des Fahrens im Wasser gezeigt. Das Schiff 1 umfasst einen Rumpf 100. Die Fahrtrichtung oder die Richtung des Schiffs 1 ist mit H gekennzeichnet. Der Rumpf 100 umfasst ein Bugende 11 und ein Heckende 14, einen breitesten Bereich 12 und einen tiefsten Bereich 13, der zwischen dem Bugende 11 und dem Heckende 14 angeordnet ist. Wenn das Schiff 1 fährt, tritt zwischen dem Wasser und dem Rumpf 100 eine relative Geschwindigkeit auf. Während das Schiff 1 im Wasser fährt, entsteht eine Grenzschicht 31 an der Oberfläche des Rumpfes 100. Die Grenzschicht 31 bewegt sich simultan mit dem Rumpf 100 mit. Die Grenzschicht 31 vergrößert sich schrittweise von dem Bug zu dem Heck des Schiffs 1, während dieses fährt, wodurch die vergrößerte Querschnittsfläche und das angesammelte Gewicht des Strömungswiderstandes die Geschwindigkeit des Schiffs 1 verringern.
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Darüber hinaus tritt die maximale relative Geschwindigkeit zwischen dem Rumpf 100 und dem Wasser an dem breitesten Bereich 12 auf und die minimale relative Geschwindigkeit tritt an dem Bugende 11 und dem Separationspunkt 15 auf. Der Separation. 15 liegt zwischen dem breitesten Bereich 12 und dem Heckende 14 an beiden Seiten des Schiffes 1. Gemäß dem Prinzip von Bernoulli ist der Druck invers proportional zu der Geschwindigkeit des Wasserflusses, wodurch das Bugende 11 des Schiffes 1 den maximalen Druck erfährt, wobei der Druck schrittweise zu dem geringsten Höhe an dem breitesten Bereich 12 absinkt und schließlich schrittweise zu dem Maximum an dem Separationspunkt 15 ansteigt. Daher ist der longitudinale Gesamtdruck zwischen dem Bugende 11 und dem breitesten Bereich 12 größer als der longitudinale Gesamtdruck zwischen dem breitesten Bereich 12 und dem Heckende 14. Die Differenz des longitudinalen Drucks erzeugt darüber hinaus den Strömungswiderstand des Schiffes. Folglich sind die zuvor genannten verschiedenen Arten des Drucks nachteilig für die Schiffsgeschwindigkeit.
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Um das Problem des Strömungswiderstands für ein Schiff während des Fahrens zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Struktur, die an dem Rumpf eines Schiffs ausgebildet ist, sowie deren Anwendung zur Reduzierung des Strömungswiderstands bereit, wobei die Struktur einen Turbulenzgenerator umfasst, der ein spezielles Design aufweist, um die Dicke der Grenzschicht zu verringern, um die trenne zeitlich zu verzögern und den Separationspunkt 15 weiter in Richtung Heck zu verschieben, um den Druck am Heckteil des Rumpfes 100 zu erhöhen, und dadurch den Strömungswiderstand, der während des Fahrens auftritt, zu verringern und folglich die Geschwindigkeit des Schiffs zu erhöhen und den Treibstoffverbrauch zu verringern.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf das Erreichen des zuvor genannten Zwecks stellt die vorliegende Erfindung eine Struktur bereit, die an dem Rumpf eines Schiffs installiert wird, und deren Anwendung zur Reduzierung des Strömungswiderstandes eines Schiffs, wobei die Struktur mindestens einen oder eine Vielzahl von Turbulenzgeneratoren aufweist, die an der Oberfläche des Rumpfes des Schiffs angeordnet sind, um eine vorteilhafte Turbulenz zu erzeugen und dadurch die Dicke der Grenzschicht an der Oberfläche des Rumpfes zu verringern und damit die Separation zeitlich zu verzögern, um den Druck am Heckteil des Rumpfes zu erhöhen und die Geschwindigkeit des Schiffs zu steigern.
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Die Struktur zur Reduzierung des Strömungswiderstands des Schiffs der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens einen Turbulenzgenerator. Die Turbulenzgeneratoren sind jeweils an beiden Seitenflächen des Rumpfes zwischen dem breitesten Bereich und dem Heckende des Schiffs angeordnet.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind einer oder eine Vielzahl von Turbulenzgeneratoren an der Bodenfläche des Rumpfes zwischen dem tiefsten Bereich und dem Heckende des Schiffs angeordnet.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Struktur zur Reduktion des Strömungswiderstandes eines Schiffs der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Turbulenzgeneratoren, unter denen zwei benachbarte Turbulenzgeneratoren in einer Anordnung angeordnet sind, die eine Lücke zwischen jeweils zwei benachbarte Turbulenzgeneratoren vorsieht.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der folgenden Erfindung umfasst die Struktur zur Reduzierung des Strömungswiderstands eines Schiffs der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Turbulenzgeneratoren, die in einer Reihe als eine Reihenanordnung ohne Lücke angeordnet sind, um der speziellen Form eines Schiffs zu entsprechen.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Turbulenzgenerator eine Aufprallfläche, die dem einfallenden Strom zugewandt ist, um mit diesem zu kollidieren und Turbulenzen zu erzeugen.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Turbulenzgenerator des Schiffs, während das Schiff im Wasser fährt, gegenüber dem Wasser eine entsprechende Geschwindigkeit auf, und die Aufprallfläche des Turbulenzgenerators weist relativ zur Kiellinie des Schiffs einen Neigungswinkel von 60° oder weniger auf.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Aufprallfläche des Turbulenzgenerators parallel oder um 0° relativ zu der Kiellinie des Schiffs geneigt.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der folgenden Erfindung ist die förmliche Ausgestaltung des Turbulenzgenerators ein Rechteck, ein Rechteck mit geneigten Flächen, ein Polygon, ein Trapez, eine dreieckige Pyramide, ein Kegel, ein halbkreisförmiger Kegel, ein Halbkegel oder jede weitere aus einer Vielzahl von Konfigurationen.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Turbulenzgenerator mit der Oberfläche des Rumpfes verklebt, in diese eingebetteten, mit dieser verschweißt oder einstückig in dem Rumpf installiert.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Turbulenzgeneratoren aus Metall, Kunststoff, Holz, Bambus, Glas, Ton, Keramik oder Verbundmaterialien gefertigt sein.
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Die Struktur zur Reduzierung des Strömungswiderstandes eines Schiffs und deren Anwendung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Rumpf und mindestens einen Turbulenzgenerator. Der Turbulenzgenerator ist an der Seitenfläche zwischen dem breitesten Bereich und dem Heckende des Rumpfes oder an der Bodenfläche zwischen dem tiefsten Bereich und dem Heckende des Schiffs installiert, um Turbulenzen zu erzeugen und dadurch den Strömungswiderstands des Schiffs zu verringern.
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Durch die Installation des mindestens einen Turbulenzgenerators an der Fläche zwischen dem breitesten Bereich und dem Heckende oder dem tiefsten Bereich und dem Heckende des Rumpfes in der vorliegenden Erfindung kann eine vorteilhafte Turbulenz hinter dem Turbulenzgenerator erzeugt werden, um die Dicke der Grenzschicht zu verringern, was zur Folge hat, dass die Separation zeitlich verzögert wird, um den Strömungswiderstand des Schiffes zu reduzieren und die Geschwindigkeit des Schiffes effektiv zu erhöhen. Folglich können sowohl der Energieverbrauch als auch die Navigationszeit eingespart werden.
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Figurenliste
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Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden Bezug genommen auf die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Berücksichtigung der folgenden beigefügten Zeichnungen.
- 1A und 1B zeigen ein Diagramm des Wasserflusses eines konventionellen im Wasser fahrenden Schiffes.
- 2 und 2A illustrieren die Struktur des Turbulenzgenerators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt die durch die Strömung erzeugte Belastung des Turbulenzgenerators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- SIG. 4 zeigt eine Grenzschicht in dem laminaren Fluss.
- 5 zeigt eine Grenzschicht in dem turbulenten Fluss.
- 6 zeigt die Stromlinien an der Unterwasserfläche eines Schiffs, wenn das Wasser durch das Schiff strömt.
- 7 zeigt die Stromlinien hinter dem an der Unterwasserfläche des Heckbereichs des Rumpfes installierten Turbulenzgenerators.
- 7A zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs B in 7.
- 8 zeigt den Turbulenzgenerator, der parallel zu L und H orientiert ist und ein Minimum an Strömungswiderstand für die Navigation produziert.
- 9 zeigt eine Vielzahl von Turbulenzgeneratoren, die an einer Backbordseite oder der unteren Rumpffläche des Schiffs angeordnet sind.
- 10 zeigt denselben am Rumpf eines Schiffes angeordneten Turbulenzgeneratoren gemäß der vorliegenden Erfindung in Sicht von der unteren Backbordseite.
- 11 zeigt die an der Fläche des Bodens des Rumpfes installierten Turbulenzgeneratoren und die durch die Turbulenzgeneratoren erzeugte Turbulenz.
- 12 zeigt den Turbulenzgenerator der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Konfigurationen.
- 13 zeigt die Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 14 zeigt ein schematisches Diagramm der laminaren Grenzschicht, die durch den Turbulenzgenerator Flug gestört ist und zur turbulenten Grenzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Um die oben genannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung expliziter darzulegen, werden folgend die Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen in detaillierter Beschreibung dargelegt.
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Bezugnehmend auf 2 und 3, werden die Variationen und die Effekte der Strömung, wenn diese auf den Turbulenzgenerator der vorliegenden Erfindung trifft, wie folgt beschrieben. Wie in 2 und 7 beschrieben, umfasst ein an dem Rumpf 100 eines Schiffs 1 installierter Turbulenzgenerator 2 eine Aufprallfläche 21, die dem einfallenden Wasserstrom zugewandt ist, um Turbulenzen zu erzeugen und mit diesen zu kollidieren, wenn der Strom mit der Aufprallfläche 21 kollidiert. Die Strömung C weist eine relative Geschwindigkeit zu dem Turbulenzgenerator 2 auf, wenn das Schiff 1 im Wasser fährt. Wie in 2 gezeigt, so wird für den Fall, dass die Strömung C durch den Turbulenzgenerator 2 mit einem Anströmwinkel A strömt, mehr Turbulenzen V hinter dem Turbulenzgenerator 2 erzeugt, wenn die Strömung C mit dem Turbulenzgenerator 2 kollidiert. Während vergleichsweise geringe Turbulenzen V mit einem Turbulenzgenerator 2 erzeugt werden, der parallel zu dem Fluss der Strömung C orientiert ist. Bezugnehmend auf 3, wenn die Strömung C mit dem Turbulenzgenerator 2 kollidiert, übt die Strömung C eine Beanspruchung F auf die Aufprallfläche 21 des Turbulenzgenerators 2 aus. Die Beanspruchung F umfasst eine vertikale Komponente Fv, die senkrecht zum Turbulenzgenerator 2 verläuft, und eine horizontale Komponente Fh, die parallel zu dem Turbulenzgenerator 2 verläuft. Die Komponente Fv, die auf den Turbulenzgenerator 2 einwirkt, wird zu einer auf den Turbulenzgenerator 2 einwirkenden Druckkraft. Aufgrund der Größe des Turbulenzgenerators 2, die substantiell wesentlich kleiner als der Rumpf 100 des Schiffs 1 ist, ist folglich der Seitendruck der Komponente Fv, der auf den Turbulenzgenerator 2 einwirkt, relativ gering. Die Komponente Fh verläuft parallel zu dem Turbulenzgenerator 2 und bewirkt daher keine Belastung für den Turbulenzgenerator 2.
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Wie oben beschrieben wird eine Turbulenz V hinter dem Turbulenzgenerator 2 durch die Strömung C erzeugt, wenn ein Anströmwinkel A zwischen dem Turbulenzgenerator 2 und der Stromlinie der Strömung C nach Kollision mit dem Turbulenzgenerator 2 erzeugt wird. Daher kann der Turbulenzgenerator 2 in dem Heckbereich des Schiffs 1 installiert werden, wie dies in 7 und 7A gezeigt ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Turbulenzgenerator 2 an der Unterwasserseitenfläche des Rumpfes 100 zwischen dem breitesten Bereich 120 und dem Heckende 140 angeordnet, wie dies in 9 gezeigt ist. Darüber hinaus, wie in 11 gezeigt, entsteht nicht lediglich eine Grenzschicht 31 an beiden Seiten des Schiffs 1 während dieses im Wasser fährt, sondern eine Grenzschicht 31 entsteht an der Bodenfläche des Rumpfes 100 (bezugnehmend auf 1A und 1B), sodass ein Turbulenzgenerator 2 ebenfalls an der Bodenfläche des Schiffs 1 zwischen dem tiefsten Bereich 130 und dem Heckende 140 des Rumpfes 100 angeordnet werden kann. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können eine Vielzahl von Turbulenzgeneratoren zueinander benachbart, mit oder ohne einer Lücke zwischen benachbarten Generatoren und in einer linearen, beispielsweise in einer Reihe, oder einer ähnliche Konfiguration an der Oberfläche des Rumpfes 100 derart angeordnet werden, dass diese Konfiguration der speziellen Form des Rumpfes entspricht, wie dies in 9 und 10 gezeigt ist.
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4, 5 und 14 zeigen jeweils eine Grenzschicht 32 des laminaren Flusses und eine Grenzschicht 33 des turbulenten Flusses. Die Wasserströmungsgeschwindigkeit der Zwischenschicht zwischen der Strömung C und der Oberfläche des Rumpfes 100 beträgt null. Die Strömung C ist langsamer in der Nähe der Oberfläche des Rumpfes 100. Die Länge der Pfeile in den Figuren stellt die Geschwindigkeit dar. Da die kinetische Energie der Wassermoleküle in dem turbulenten Fluss größer ist, neigen die Wassermoleküle mit höherer kinetischer Energie dazu, die kinetische Energie an die Oberfläche des Rumpfes 100 abzugeben, sodass die kinetische Energie der Wassermoleküle nahe der Oberfläche des Rumpfes 100 ansteigt, und folglich sich die Fließgeschwindigkeit der Strömung C erhöht. Nachdem die Turbulenz V gebildet ist, wird die Dicke der turbulenten Grenzschicht 33 im Vergleich zu der Dicke der laminaren Grenzschicht 32 verringert. Folglich wird der durch die Strömung C an dem Schiff 1 erzeugte Strömungswiderstand verringert.
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6 und 7 zeigen eine Strömung C, die durch den Rumpf 100 des Schiffs 1 verläuft. Da das Bugende 110 und das Heckende 140 des Rumpfes 100 in zugespitzter Form ausgebildet sind, wird die Strömung C1 am Bugbereich des Rumpfes 100 abwärts geleitet. Die Strömung C2 wird an dem Heckbereich des Rumpfes 100 nach oben abgeleitet, nachdem diese den breitesten Bereich 120 des Rumpfes 100 passiert hat. Wie in 7A gezeigt ist, wenn der Turbulenzgenerator 2 horizontal angeordnet ist, wird die Strömung C an dem Heckbereich, der mit der Aufprallfläche 21 des Turbulenzgenerators 2 einen Anströmwinkel A bildet, aufwärts abgeleitet. Daraus resultierend entsteht stromabwärts zur dem Turbulenzgenerator 2 die Turbulenz V, wodurch der Strömungswiderstand der Grenzschicht 31 an dem Rumpf 100 reduziert wird. Die Kiellinie L ist die Zentrallinie zwischen dem Bugende 110 und dem Heckende 140 des Rumpfes 100 des Schiffs 1. Der Winkel A zwischen der Aufprallfläche 21 des Turbulenzgenerators 2 und der Kiellinie L kann kleiner 60° sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Aufprallfläche 21 des Turbulenzgenerators 2 parallel zu der Kiellinie L.
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Darüber hinaus kann die Turbulenz V den Druck an dem Heckbereich des Rumpfes 100 erhöhen und die Druckdifferenz zwischen der Bug- und der Heckhälfte des Rumpfes 100 reduzieren, und dadurch den Strömungswiderstand verringern, der durch die Druckdifferenz an dem Rumpf 100 des Schiffes 1 erzeugt wird, wenn dieses im Wasser fährt.
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8 zeigt den Einfluss des Turbulenzgenerators 2, wenn dieser an der Fläche des Rumpfes 100 des Schiffs 1 installiert ist. Da die Installationsrichtung des Turbulenzgenerators 2 substantiell parallel zu der Kiellinie L des Schiffes 1 ist, beeinflusst die Normalkomponente der Belastung F' der Strömung C, die durch die Strömung C in Normalenrichtung auf den Turbulenzgeneratoren 2 einwirkt, nicht die Geschwindigkeit des Schiffs 1. Während die Tangentialbelastung F" der Strömung C auf den Turbulenzgenerator parallel zu der Fahrtrichtung des Schiffs H ist, ist der durch die Tangentialbelastung F” erzeugte Widerstand des Turbulenzgenerators 2 relativ zum Schiff 1 sehr gering.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Rumpf 100 eine Länge von 6.246 m, eine Breite von 1.057 m, einen Tiefgang von 0.322 m auf, während der Turbulenzgenerator 2 eine Pyramide mit Länge von 2 bis 10 cm, einer Breite von 0.5 bis 2 cm, einer von 0.5 bis 1 cm ist. Die für den Turbulenzgenerator 2 angewendete Konfiguration ist in der vorliegenden Erfindung jedoch nicht auf das oben genannte Beispiel begrenzt, vielmehr kann die Konfiguration des Turbulenzgenerators 2 ein Rechteck, ein Rechteck mit abgeschrägten Flächen, ein Polygon, ein Trapez, eine Pyramide, eine dreieckige Pyramide, ein Kegel, halbkreisförmiger Kegel oder ein Halbkegel sein, wie dies in 12 gezeigt ist. Die Ausmaße des Turbulenzgenerators 2 können in Proportion zu denen des Rumpfes 100 beliebig ausgewählt werden.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Turbulenzgenerator 2 an den Rumpf 100 geklebt, in diesen eingebettet oder an diesem verschweißt werden, oder einstückig mit dem Rumpf 100 installiert sein. Das Material des Turbulenzgenerators 2 kann Metall, Kunststoff, Holz, Bambus, Glas, Keramik oder ein Verbundwerkstoffe sein.
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Bezugnehmend auf 13 und 14, so zeigt 13 ein schematisches Diagramm einer Grenzschicht 31, wenn die Strömung C durch die Rumpffläche des Schiffs 1 strömt. Die Geschwindigkeit der Strömung C ist geringer in der Nähe der Rumpffläche und höher in Entfernung zum Rumpf 100. 14 ist eine schematische Ansicht des laminaren Flusses der Grenzschicht 32, die durch den Turbulenzgenerator 2 aufgewirbelt ist und dadurch zur turbulenten Grenzschicht 33 wird.
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Zusammenfassend kann die vorliegende Erfindung praktisch das Ziel der Erfindung dadurch erreichen, dass diese den Turbulenzgenerator an der Unterwasserseitenfläche zwischen dem breitesten Bereich und dem Heckende des Schiffs, oder an der Bodenfläche zwischen dem tiefsten Bereich und dem Heckende des Schiffs, zur Erzeugung von Turbulenzen bereitstellt, und dadurch die Grenzschicht verdünnt und die Separation zeitlich verzögert, um den Druck am Heckbereich des Schiffs zu erhöhen, und dadurch den Strömungswiderstand des Schiffes zu reduzieren. Folglich kann die vorliegende Erfindung die Geschwindigkeit des Schiffes effektiv erhöhen und zusätzlich den Treibstoffverbrauch verringern. Die Erfindung weist einen gewerblichen Wert auf und stellt praktisch eine neuartige Verbesserung für ein Schiff dar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schiff
- 100
- Rumpf
- 11, 110
- Bugende
- 12, 120
- breitester Bereich
- 13, 130
- tiefster Bereich
- 14, 140
- Heckende
- 15
- Seperationspunkt
- 2
- Turbulenzgenerator
- 21
- Aufprallfläche
- 31
- Grenzschicht
- 32
- laminare Grenzschicht
- 34
- Heckwelle
- A
- Anströmwinkel zwischen der Strömung und dem Turbulenzgenerator
- C, C', C1, C2
- Strömung
- F
- auf den Turbulenzgeneratoren einwirkende Belastung
- Fv
- Vertikalkomponente der Belastung
- Fh
- Horizontalkomponente der Belastung
- F'
- Normalenbelastung auf den Turbulenzgenerator
- F"
- Tangentialbelastung auf den Turbulenzgenerator
- H
- Fahrtrichtung des Schiffs
- L
- Kiellinie
- V
- Turbulenz
