KR20130102135A - Apparatus and method for reducing fluid drag on a submerged surface - Google Patents
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Abstract
공기를 선체를 따라 경계 층 흐름 내에서 흐르는 물로 혼입시킴으로써 수상선의 선체 상에 표면 마찰 드래그를 감소시키는 장치 및 방법이 제공된다. 이러한 장치로 인해 흐름의 제 1 부분을 선체의 표면으로부터 방향 전환시킴으로써 감소된 압력 영역이 형성된다. 공기 포켓은 감소된 압력 영역 내에 형성되고, 흐름의 제 2 부분은 공기를 경계 층으로 혼입하고 플런징 제트로서 기능을 하는 노즐에 의해 공기 포켓을 통하여 안내된다. An apparatus and method are provided for reducing surface friction drag on the hull of a sea vessel by incorporating air into the water flowing in the boundary layer flow along the hull. This arrangement results in a reduced pressure region by diverting the first portion of the flow away from the surface of the hull. An air pocket is formed in the reduced pressure region and a second portion of the flow is guided through the air pocket by a nozzle that incorporates air into the boundary layer and functions as a plunging jet.
Description
본 발명은 물에서 이동하는 배의 선체에서 표면 마찰 드래그를 감소하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for reducing surface friction drag in the hull of a ship moving in water.
표면 마찰 드래그 또는 "스킨 마찰" 드래그는 물에서 수상선을 추진하기 위해 필요한 총 동력의 상당한 성분이다. 표면 마찰 드래그를 감소시킴에 따라 배는 보다 빠른 속도 및/또는 보다 효율적으로 이동할 수 있다. 따라서, 표면 마찰 드래그를 감소시키는 것은 수상선과 잠수함에 대한 배의 선체 설계 분야에 있어서 상당한 연구 분야이다. Surface friction drag or "skin friction" drag is a significant component of the total power required to propel a watership in water. As the surface friction drag is reduced, the ship can move faster and / or more efficiently. Thus, reducing surface friction drag is a significant area of research in the field of ship hull design for sea vessels and submarines.
특정 배의 선체에서 표면 마찰 드래그의 크기는 선체가 이동되는 액체(순수한 물 또는 염수)의 점성도, 액체의 밀도 및 액체와 선체의 잠수된 표면 사이의 표면 장력에 의존된다. The magnitude of the surface friction drag on a particular ship's hull depends on the viscosity of the liquid (pure water or saline) to which the hull is moved, the density of the liquid and the surface tension between the liquid and the submerged surface of the hull.
도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 표면 마찰 드래그의 효과는 "경계 층(22)"에서 집중되며, 액체의 층 내에서 모멘텀이 선체(14)의 표면(16)으로부터 액체(12)로 전달된다. 모멘텀 전달은 선체(14)의 표면(16)에 가장 인접한 액체의 일부분에서 가장 크며, 경계 층(22)의 변부(26)에서 감소된다. 경계 층(22)에서 모멘텀의 전달로 인해 난류(turbulence) 뿐만 아니라 선체(14)의 표면(16)에 대한 물(12)의 속도가 감소된다. 속도 구배(velocity gradient, 24)는 경계 층(26)의 변부로부터 선체(14)의 표면(16)으로 물(12)의 상대 속도가 감소되는 것으로 도시된다. 상대 속도는 각각의 화살표의 길이로 표시된다. As exemplarily shown in FIG. 2, the effect of surface friction drag is concentrated in the "
표면 마찰 드래그를 감소시키기 위한 한가지의 수단은 경계 층(22) 내로 가스를 유입시켜 경계 층(22)에서 유체의 밀도와 점성도를 감소시키는 것이다. 가스는 밀도와 점성도가 상대적으로 낮기 때문에 모멘트 전달이 작아지고 이에 따라 표면 마찰 드래그가 감소된다. 이러한 기술은 때때로 종래 기술에서 "공기 윤활(air lubrication)"로 언급된다.One means to reduce surface friction drag is to introduce gas into the
공기 윤활은 호버크라프트(hovercraft)에서 성공적으로 사용되었으며, 상기 호버크라프트 내에서 배는 상당한 공기 쿠션 위에 놓인다. 공기 쿠션은 큰 흘수(draft)를 갖는 배에 대해서는 실용적이지 못하지만 수압이 깊이에 따라 증가되기 때문에 공기 쿠션은 수표면으로 신속히 떠오른다. 공기 쿠션을 수 인치의 물속으로 밀어넣기 위해 상당한 크기의 힘이 필요하다. 이 문제점은 상대적으로 큰 공기 쿠션 대신에 작은 기포(즉, 미세 기포)를 이용함으로써 부분적으로 해결된다. 작은 기포는 큰 공기 쿠션에 비해 수중에서 상당히 더욱 느리게 떠오른다.Air lubrication has been successfully used in hovercraft, in which the ship is placed on a significant air cushion. Air cushions are not practical for ships with large drafts, but air cushions quickly rise to the water surface as the water pressure increases with depth. A considerable amount of force is required to push the air cushion into the inch of water. This problem is partially solved by using small bubbles (ie microbubbles) instead of relatively large air cushions. Small bubbles rise considerably slower in water than large air cushions.
실질적으로 미세-기포를 이용하는 것은 매우 어려운 것으로 입증되었다. 종래 기술에 따른 발명들은 표면 마찰을 감소시키기 위해 미세-기포를 성공적으로 이용하는데 있어서 3가지의 주요한 기술적 문제점에 직면했으며, 이러한 문제점은 (1) 경계 층의 상당 부분을 채우기 위해 충분한 체적 비율로 미세-기포를 주입하는 것, (2) 경계 층으로부터 미세-기포가 빠져나가는 것을 방지하는 것 및 (3) 배의 속도가 변화함에 따라 미세-기포의 체적 유량을 조절하는 것으로 구성된다. Practically using micro-bubbles has proven very difficult. The inventions according to the prior art have faced three major technical problems in the successful use of micro-bubbles to reduce surface friction, which problems are: (1) fine with sufficient volume fraction to fill a substantial part of the boundary layer; Injecting bubbles, (2) preventing the escape of the micro-bubbles from the boundary layer, and (3) adjusting the volume flow rate of the micro-bubbles as the velocity of the vessel changes.
대부분의 종래 기술에 따른 공기 윤활 시스템은 다량의 미세-기포를 공급하기 위하여 펌프 또는 가압식 공기를 이용한다. 이러한 해결 방법은 몇몇의 경우에 있어서 적합하지 못하다. 먼저, 공기를 펌핑하거나 또는 가압하기 위해 힘이 소비되어야 한다. 이러한 경우, 공기를 펌핑하거나 또는 가압하기 위해 소모된 힘은 감소된 표면 마찰 드래그로부터 동력 절감(power saving)을 상쇄시킨다. 둘째로, 펌핑되거나 또는 가압된 공기를 경계 층으로 주입하기가 매우 어렵다. 전형적인 경계 층은 종래의 시스템에서 공기가 주입되는 위치이고, 배의 선수에 인접한 위치에서 단지 수 밀리미터의 두께만을 갖는다. 미세-기포 자체는 적어도 1 밀리미터의 직경을 가지며 경계 층의 흐름 방향(F)에 대해 비스듬히 주입됨에 따라 미세-기포가 경계 층을 통과하여 자유-흐름 수 영역으로 흐르는 것을 방지하기가 매우 어렵다. 셋째로, 종래 기술은 배의 속도에 비례하여 변화하는 미세-기포에 대한 주입 유량을 제공하지 못한다. 이에 따라 미세-기포의 주입 속도는 단지 한가지의 속도에서만 이상적이다. 그 외의 다른 모든 속도에서, 주입 속도는 이상적인 속도보다 빠르거나 느리다.Most prior art air lubrication systems use pumps or pressurized air to supply large amounts of micro-bubbles. This solution is not suitable in some cases. First, force must be consumed to pump or pressurize air. In this case, the power consumed to pump or pressurize the air cancels the power savings from the reduced surface friction drag. Secondly, it is very difficult to inject pumped or pressurized air into the boundary layer. Typical boundary layers are locations where air is injected in conventional systems and have only a few millimeters of thickness at locations adjacent to the bow of the ship. The micro-bubbles themselves have a diameter of at least 1 millimeter and are very difficult to prevent micro-bubbles from flowing through the boundary layer into the free-flowing number region as they are injected at an angle to the flow direction F of the boundary layer. Third, the prior art does not provide injection flow rates for micro-bubbles that change in proportion to the speed of the vessel. The rate of injection of micro-bubbles is thus ideal at only one rate. At all other speeds, the infusion rate is faster or slower than the ideal rate.
미국 특허 제6,125,781호에 공개된 시스템과 같이 그 외의 다른 종래 기술의 공기 윤활 시스템은 배의 선체의 잠수된 표면에 하나 이상의 포트를 가지며 마주보는 단부에 공기 중으로 개방된 튜브를 이용하여 배의 선체의 경계 층으로 물의 흐름을 통하게 하는 것으로 구성된다. 이러한 종래의 시스템에서, 공기는 포트를 통해 경계 층으로 흡입되는 것으로 가정된다. Other prior art air lubrication systems, such as the system disclosed in US Pat. No. 6,125,781, have one or more ports on the submerged surface of the ship's hull and use tubes open to the air at opposite ends of the ship's hull. It consists of passing the flow of water to the boundary layer. In this conventional system, it is assumed that air is drawn into the boundary layer through the port.
이러한 가설은 오류가 있는 가정을 기초한다. 이러한 타입의 시스템은 고속으로 이동하는 매우 얕은 흘수(very shallow draft)를 갖는 배에 대해서만 작동된다. 예를 들어, 배가 시간 당 90.6 마일의 속도에 도달될 때까지 공기는 3.973 인치의 흘수를 가진 배의 선체를 따라 경계 층으로 흡입되지 않는다. 이는 대부분의 수상선에 대해 실행가능한 속도는 아니다. This hypothesis is based on erroneous assumptions. This type of system works only for ships with very shallow drafts traveling at high speeds. For example, air is not drawn into the boundary layer along the hull of a ship with a draft of 3.973 inches until the ship reaches a speed of 90.6 miles per hour. This is not a viable speed for most sea vessels.
표면 드래그를 감소시키기 위한 그 외의 다른 종래 기술의 시스템은 환기식 스텝 차인(ventilated step chine)으로 언급되며, 이는 주요하게 고성능 배에서 이용된다. 환기식 스텝 차인의 실시예는 미국 특허 제5,452,676호에 기술된다. 환기식 스텝 차인이 몇몇의 성능 및 효율 개선을 제공할지라도 종래 기술의 환기식 스텝 차인은 상당량의 공기를 경계 층으로 혼입시키지 못한다. 이에 따라 종래 기술의 환기식 스텝 차인은 스텝의 부분에서 물과 공기의 터뷸런스 믹싱(turbulent mixing)을 형성하지 못한다. 종래의 환기식 스텝 차인은 단지 선체의 유효 표면 영역을 감소시키며, 이에 따라 물의 마찰 효과는 상대적으로 작은 영역에 작용된다. 이러한 감소는 오직 선체의 전체 표면 영역의 작은 퍼센트이며, 이에 따라 환기식 스텝 차인은 작은 표면 마찰 감소를 제공한다. Other prior art systems for reducing surface drag are referred to as ventilated step chines, which are primarily used in high performance vessels. An example of a vented step chine is described in US Pat. No. 5,452,676. Although ventilated step chines provide some performance and efficiency improvements, prior art ventilated step chines do not incorporate significant amounts of air into the boundary layer. Accordingly, the prior art ventilated step chine does not form turbulent mixing of water and air at the portion of the step. Conventional ventilated step chines only reduce the effective surface area of the hull, so that the friction effect of the water acts on a relatively small area. This reduction is only a small percentage of the total surface area of the hull, whereby the ventilated step chine provides a small reduction in surface friction.
따라서, 보다 적합한 속도에서 기능을 하는 드래프트와 시스템을 갖는 다양한 배의 경계 층 내로 기포를 혼입시킬 수 있는 효율적인 공기 윤활 시스템이 요구된다.Thus, there is a need for an efficient air lubrication system capable of incorporating bubbles into various ship boundary layers having drafts and systems functioning at more suitable speeds.
본 발명은 일차 유체가 일차 유체를 통해 이동하는 대상물(object)의 표면에 인접한 경계 층 내에서 흐르는 동안 이차 유체를 일차 유체로 혼입하는 장치를 포함한다. 이러한 장치는 대상물의 표면으로부터 이격되도록 일차 유체의 제 1 부분을 방향 전환시키는 흐름 전환 부재를 포함하고, 이에 따라 대상물의 표면과 일차 유체의 제 1 부분 사이에 감소된 압력 영역이 제공된다. 또한 상기 장치는 이차 유체가 감소된 압력 영역으로 흐르게 하는 개구부를 포함하고, 유입부로부터 다운스트림에 위치된 노즐의 어레이를 포함하며, 유입부를 통해 일차 유체의 제 2 부분이 흐른다. 일차 유체의 제 2 부분은 노즐을 통과함에 따라 가속된다. 노즐은 감소된 압력 영역을 통해 일차 유체의 제 2 부분을 안내하도록 방향 설정되며, 이에 따라 이차 유체의 적어도 일부분이 일차 유체의 일부분으로 혼입된다. The present invention includes an apparatus for incorporating a secondary fluid into the primary fluid while the primary fluid flows in the boundary layer adjacent the surface of the object moving through the primary fluid. Such a device includes a flow diverting member that redirects a first portion of the primary fluid to be spaced apart from the surface of the object, thereby providing a reduced pressure region between the surface of the object and the first portion of the primary fluid. The apparatus also includes an opening for allowing secondary fluid to flow into the reduced pressure region, and includes an array of nozzles located downstream from the inlet, through which the second portion of the primary fluid flows. The second portion of the primary fluid is accelerated as it passes through the nozzle. The nozzle is directed to guide the second portion of the primary fluid through the reduced pressure region, whereby at least a portion of the secondary fluid is incorporated into the portion of the primary fluid.
그 외의 다른 실시예에서, 본 발명은 선체가, 일차 유체 내에 적어도 부분적으로 잠수되는 표면을 포함하는, 일차 유체를 통해 추진되도록 설계된 대상물의 선체 상에서 마찰 드래그를 감소시키기 위한 방법을 포함한다. In other embodiments, the present invention includes a method for reducing friction drag on a hull of an object designed to be propelled through the primary fluid, the hull comprising a surface at least partially submerged in the primary fluid.
이러한 방법은 대상물의 표면으로부터 이격되는 방향으로 일차 유체의 제 1 부분을 방향 전환시키는 단계를 포함하고, 이에 따라 대상물의 표면과 일차 유체의 제 1 부분 사이에 위치된 감소된 압력 영역이 제공된다. 이차 유체를 감소된 압력 영역으로 흐르도록 하는 개구부가 제공되며, 이차 유체는 일차 유체보다 낮은 밀도를 가진다. 이차 유체의 적어도 일부분은 일차 유체의 제 2 부분을 감소된 압력 영역을 통해 안내함으로써 일차 유체의 일부분으로 혼입된다. The method includes redirecting a first portion of the primary fluid in a direction away from the surface of the object, thereby providing a reduced pressure region located between the surface of the object and the first portion of the primary fluid. An opening is provided to allow the secondary fluid to flow into the reduced pressure region, where the secondary fluid has a lower density than the primary fluid. At least a portion of the secondary fluid is incorporated into the portion of the primary fluid by guiding the second portion of the primary fluid through the reduced pressure region.
도 1은 추진 방향 D으로 수중에서 이동하는 배를 도시하는 도면.
도 2는 도 1로부터 상세 영역 2-2를 도시하는 도면.
도 3은 혼입 장치의 제 1 실시예의 하측을 도시하는 도면.
도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 절단한 단면도.
도 5는 하측 및 후방으로부터 도시한, 혼입 장치의 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 6은 혼입 장치의 저면도.
도 7은 도 6의 선 7-7을 따라 절단한 단면도.
도 8은 하측 및 후방으로부터 도시한, 혼입 장치의 제 3 실시예와 통합된 배를 도시하는 도면.
도 9는 도 8의 선 9-9를 따라 절단한 단면도. 1 shows a ship moving underwater in a pushing direction D. FIG.
FIG. 2 is a diagram showing detail region 2-2 from FIG. 1; FIG.
3 shows a lower side of the first embodiment of the mixing apparatus;
4 is a cross-sectional view taken along the line 4-4 of FIG.
5 shows a second embodiment of the incorporation device, shown from the lower side and the rear side;
6 is a bottom view of the mixing device.
7 is a cross-sectional view taken along the line 7-7 of FIG.
8 shows a ship integrated with a third embodiment of the incorporation device, shown from the lower side and the rear side;
9 is a cross-sectional view taken along the line 9-9 of FIG. 8.
본 발명에 따르는 혼입 장치(entrainment device)의 원리 및 작동은 첨부된 명세서 및 도면에 따라서 보다 잘 이해될 것이다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 적어도 하나의 도면에 관한 기술 내용에 언급되는 도면 부호가 명세서 내에서 추가 도면에 관한 특정 도면부호 없이 추가 도면에 도시된다. "상부(above)" 및 "하부(below)"와 같이 본 발명의 요소들의 상대 위치를 나타내기 위해 본 명세서와 청구항에서 사용된 용어는 도 4, 7 및 9에 도시된 방향으로 본 발명을 언급하기 위함이다.The principle and operation of an entrainment device according to the invention will be better understood in accordance with the accompanying specification and drawings. BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS To aid the understanding of the present invention, reference numerals referred to in the description of at least one of the drawings are shown in the additional drawings without specific reference to the additional drawings in the specification. The terminology used in this specification and in the claims to refer to the relative position of elements of the invention, such as “above” and “below,” refers to the invention in the directions shown in FIGS. 4, 7 and 9. To do this.
도 3 및 도 4에 따라서, 도면부호(30)는 일반적으로 본 발명의 혼입 장치(30)를 나타낸다. 혼입 장치(30)는 배(10)의 선체(hull, 14)의 일부분으로 형성되거나 또는 형성된 선체에 대해 개조될 수 있다. 혼입 장치(30)는 유입부(inlet, 34), 흐름 전환 부재(flow diverting member, 36), 복수의 노즐(37) 및 기저부(38)를 포함한다. 명세서와 청구항에 사용된 용어 "노즐"은 유체의 흐름을 안내하기 위한 장치를 의미하며 유체의 속도를 가변시키는 노즐로 한정되지는 않는다. 3 and 4,
혼입 장치(30)의 이 실시예는 잠수할 것이고 개방된 수로(open waterway) 내에서 이동되어질 배(10)의 일부분이기 때문에, 이 혼입 장치(30)는 작은 물체로부터의 충격을 적절히 견딜 수 있는 내구성을 가지며 부식에 대한 저항성을 가지도록 설계되어야 한다. 따라서, 혼입 장치(30)는 강성의 플라스틱 또는 부식-방지 특성을 갖는 금속으로부터 제조되는 것이 선호된다. Since this embodiment of the
도 1에 도시된 바와 같이, 혼입 장치(30)는 배(10)의 선체(14)를 따라, 바람직하게 배(10)의 선수(bow, 18)에 인접하게 위치되도록 설계된다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 표면 마찰 감소의 특성(surface friction reduction benefit)은 혼입 장치(30)의 다운스트림으로부터 구현된다. 따라서, 배(10)의 선수에 인접한 위치에 혼입 장치(30)를 배치시킴에 따라 혼입 장치(30)의 선호되는 효과가 최대화된다. As shown in FIG. 1, the
도 4는 선체(14)의 하측 표면(16)으로부터 경계 층(22)까지 하부를 향하여 돌출되고 선체(14)에 부착된 혼입 장치(30)를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 물은 방향(F)으로 흐른다. 경계 층(22)에서 혼입 장치(30)를 향하여 흐르는 물은 경계 층 흐름의 2 가지의 부분, 즉 유입 흐름 스트림(50)과 방향전환된 흐름 스트림(52)으로서 도 4에 도시된 방식으로 흐른다.4 shows the
물이 유입부(34)에 도달됨에 따라 유입 흐름 부분(50)은 개구부(35)를 통해 유입부(34) 내로 유입되며, 노즐(37)을 통하여 안내된다. 유입부(34)의 형태는 배(10)의 흘수(draft) 및 정상 작동 속도에 의존하여 변화할 수 있으며, 바람직하게는 드래그(drag)를 최소화시키도록 형태가 형성된다. 미국항공자문위원회(National Advisory Committee on Aeronautics; NACA)에 의해 정해진 가이드라인에 따라서 저 드래그의 유입부 형태가 선호되는 것으로 밝혀졌다.As water reaches the
방향전환된 흐름 스트림(52)은 흐름 변환기(flow diverter)에 의해 하향으로 안내되고 유입 흐름 스트림(50)으로부터 분리된다. 양 스트림(50, 52)의 분리는 지점 F1과 지점 F2 사이에서 발생된다. 최대 흐름 분리는 지점 F2에서 발생되며, 이러한 지점에서 방향전환된 흐름 스트림(52)이 흐름 변환기(36)의 트레일링 변부(trailing edge, 40)에 걸쳐 유동한다. 방향전환된 흐름 스트림(52)의 속도는 또한 이 흐름 스트림이 흐름 변환기(36)를 지나 흐르기 때문에 증가된다. The redirected
흐름 분리(flow separation)를 야기하기 위하여 흐름 변환기(36)의 트레일링 변부(40)는 흐름 변환기(36)의 트레일링 변부(40)로부터 바로 다운스트림에 위치된 선체(14)의 표면(16)의 부분보다 더 떨어져 물속으로 연장되어야 한다. 선체(14)의 표면(16)의 부분은 선체(14)의 다운스트림 리딩 변부(41)와 동일한 면에 있는 것으로 청구항과 명세서에서 언급된다.The trailing
본 발명의 실시예에서, 트레일링 변부(40)를 포함하는 흐름 변환기(36)는 선체(14)로부터 하향 돌출된다. 대안으로, 선체(14)의 다운스트림 리딩 변부(41)는 흐름 변환기(36)의 트레일링 변부(40)에 대해 요홈 구조로 형성될 수 있다. 대안의 형상이 도 8 및 도 9에 따라 도시되고 언급된다. In an embodiment of the invention, the
흐름 분리와 흐름의 증가된 속도로 인해 지점 F2에서 선체(14)와 트레일링 변부(40) 사이에는 감소된 압력 영역이 형성된다. 벤트(vent, 27)는 이의 상측 단부(도시되지 않음)에서 공기 중으로 개방된다. 벤트(27)는 노즐(37)로부터 다운스트림에 위치된 개구부(28)를 포함한다. 방향전환된 흐름(52)의 전환(diversion)에 의해 감소된 압력 영역이 형성됨에 따라 공기의 포켓(42)이 감소된 압력 영역으로 하향 유입된다. 본 명세서에 이용된 용어 "영역" 및 "감소된 압력 영역"은 3-차원 영역, 즉 체적을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. Due to the flow separation and the increased speed of the flow, a reduced pressure zone is formed between the
지점 F2와 지점 F3 사이에서, 공기의 포켓(42)이 방향전환된 흐름 스트림(52)의 표면(43)과 접하는 영역이 제공된다. 이러한 영역은 "자유 표면(45)"으로써 청구항과 명세서에 언급될 것이다.
Between points F 2 and F 3 , an area is provided in which pockets of
바람직하게 노즐(37)은 유입 흐름 스트림(50)의 속도를 배출 속도 V4로 증가시키며, 공기의 포켓(42)을 통하여 유입 흐름 스트림(50)을 안내한다. 그 뒤 유입 흐름 스트림(50)은 자유 표면(45)과 접촉한다. 이에 따라 유입 흐름 스트림(50)은 포켓(42)으로부터 방향전환된 흐름 스트림(52)으로 기포(56)를 혼입하는(entrain) 플런징 제트(plunging jet)로서 작용한다. 바람직하게, 노즐(37)이 선체(14)의 표면(16) 바로 밑에 위치되어 유입 흐름 스트림(50)이 노즐(37)에서 빠져나갈 때 이 유입 흐름 스트림은 경계 층(22)의 흐름(F)에 평행하게 형성된다. The
도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 노즐(37)이 본 실시예에서 제공된다. 더 많거나 적은 개수의 노즐(37)이 다양한 응용에 제공될 수 있다. 각각의 노즐(37)의 컨버전스(convergence)의 크기(즉, 유입부의 직경에 대한 노즐 스로틀의 직경 비율)는 유입 흐름 스트림(50)이 공기를 혼입하기 위해 충분한 배출 속도(V4)를 갖도록 선택된다. 불필요하게 높은 컨버전스는 노즐에서의 배압이 각각의 노즐의 컨버전스의 크기에 대해 직접적으로 비례하기 때문에 방지되어야 한다. As shown in Fig. 3, three
공기를 혼입시키기 위하여 유입 흐름 스트림(50)의 속도 V4(방향과 크기를 포함)는 충돌 영역에서 자유 표면(45)을 따라 방향전환된 흐름 스트림(52)의 속도 V5와 상이해야 한다. 본 실시예에서, 속도 V5의 방향전환된 흐름 스트림(52)은 지점 F3에서 속도 V4의 유입 흐름 스트림(50)에 대해 대략 45도의 각도로 안내된다. The velocity V 4 (including direction and magnitude) of the
혼입 장치(30)로부터의 다운스트림에서 유입 흐름 스트림(50)과 방향전환된 흐름 스트림(52)이 다시 만난다. 유입 흐름 스트림(50) 내로 공기가 혼입됨에 따라 경계 층 흐름(22)의 점성도와 밀도가 감소된다. 상기 언급된 바와 같이, 경계 층 내에서 감소된 점성도와 밀도로 인해 스킨 마찰 드래그도 대응하여 감소된다. 예를 들어 50%의 물/공기 혼합물은 대략 50% 정도로 잠수된 배의 선체에서 스킨 마찰(skin friction)을 감소시킬 것이다. Downstream from the
혼입 장치(30)의 기본적인 기능은 공기가 빠져나가는 감소된 압력 영역을 형성하고, 혼입 장치(30)로부터 다운스트림에 위치된 터뷸런스 믹싱(turbulent mixing)를 통해 경계 층 흐름(22)으로 공기를 혼입시키는 데 있다. 본 실시예에서, 이러한 터뷸런스 믹싱은 증가된 속도로 공기를 통해 제 2 흐름 스트림을 안내함으로써 형성된다. 혼입 장치(30)의 위치, 크기 및 배열은 배(10)와 선체(14)의 크기와 형태에 의존된다. 대부분의 설비에서, 선수(18)에 인접한 위치에서 선체(14)를 가로질러 일렬로 배열된 혼입 장치(30)의 어레이(array)를 가지는 것이 선호된다. 이러한 혼입 장치(30)의 배열은 바람직하게 배(10)의 추진 방향 D에 대해 가로지르는 것이 선호된다. 혼입 장치(30)의 개수는 선체(14)의 폭에 의존된다. 몇몇 설비에서, 특히 상당히 긴 선체를 가진 배의 경우 다수의 열(row)의 혼입 장치(30)를 포함하는 것이 선호된다. The basic function of the mixing
도 5 내지 도 7에 도시된 대안의 실시예와 같이 혼입 장치(30)에 대해 다양한 형상이 이용될 수 있다. 도 5 내지 도 7에서, 혼입 장치(30)의 제 1 실시예에 도시된 특징부에 해당하는 특징부들이 100의 인수(factor)로 증가된 도면부호로 도시된다. 예를 들어 혼입 장치의 제 2 실시예는 도면부호 130으로 도시된다. 도 4에서 속도 기준점(V1 내지 V4)과 흐름 기준 지점(F1 내지 F4)은 도 7에서 각각 V1B 내지 V4B와 F1B 내지 F4B에 해당한다. 혼입 장치(130)는 혼입 장치(30)의 제 1 실시예와 유사하며, 유입부(134), 방향전환 부재(136) 및 복수의 노즐(137)을 포함한다. 제 1 실시예(30)와 혼입 장치(130)의 제 2 실시예 사이의 주요한 차이점은 유입부(134)의 형태와 방향전환 부재(136)의 상대적으로 작은 기울기에 있다. 이러한 차이점은 도 7에 상세히 도시된다. Various shapes may be used for the
도 8 및 도 9에서, 혼입 장치(30)의 제 1 실시예에 도시된 특징부에 해당하는 특징부들이 200의 인수로 증가된 도면부호로 도시된다. 예를 들어 혼입 장치의 제 2 실시예는 도면부호 230으로 도시된다. 도 4에서 속도 기준점(V1 내지 V4)과 흐름 기준 지점(F1 내지 F4)은 도 7에서 각각 V1C 내지 V4C와 F1C 내지 F4C에 해당한다.8 and 9, the features corresponding to the features shown in the first embodiment of the
도 8 및 도 9에 도시된 혼입 장치(230)는 본 명세서에 기술된 2가지의 다른 실시예와 동일하게 기능을 하지만 고속 파워 보트에 이용되기에 적합하다. 혼입 장치(230)는 배(210)의 선체(214)를 가로질러 가로방향으로 연장되는 채널을 포함하는 벤트(226)를 포함한다. 벤트(226)는 수선(water line, 270) 위의 지점으로 연장되어 공기가 벤트(226)로부터 외부로 그리고 벤트 내부로 흐를 수 있다. The
본 실시예에서, 흐름 변환기(236)의 트레일링 변부(240)는 벤트(226)의 전방 변부와 일치되고, 선체(214)의 다운스트림 리딩 변부(241)는 벤트(226)의 후방 변부와 일치된다. 흐름 변환기(236)는 선체(214)의 표면(216)으로부터 하부를 향하여 돌출되지 않는다. 게다가, 선체(214)의 다운스트림 리딩 변부(241)는 흐름 변환기(236)의 트레일링 변부(240)에 대해 요홈 구조로 형성되고, 즉 흐름 변환기(236)의 트레일링 변부(240)보다 수중에서 다소 높이 위치된다. In this embodiment, the trailing
본 발명의 그 외의 다른 실시예에서, 본 실시예는 노즐(237)을 통해 유입 흐름 스트림(250)을 안내하는 유입부(234)를 포함한다. 유입부(234)와 노즐(237)을 포함함에 따라 임핀지먼트 믹싱(impingement mixing)이 야기되며, 이에 따라 종래의 환기식 스텝 차인(ventilated step chine)보다 더욱 많은 공기가 혼입된다. 또한 본 발명의 혼입 장치는 수상선(surface vessel) 이외의 다른 분야에 이용될 수 있다. 예를 들어, 혼입 장치는 파이프의 내부 표면상에 혼입 장치를 위치시킴으로써 파이프 내에서 마찰을 감소시키기 위해 이용될 수 있다. In other embodiments of the present invention, this embodiment includes an
종래 기술의 당업자들은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 상기 언급된 실시예가 가변가능하다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 기술된 특정 실시예에 제한되지 않지만 본 발명과 사상 내에 있는 모든 변형물들을 포함하는 것으로 의도되어야 한다. Those skilled in the art will recognize that the above-mentioned embodiments of the present invention are variable without departing from the scope of the present invention. Therefore, it is intended that the present invention not be limited to the particular embodiments described, but include all modifications that fall within the spirit and scope of the invention.
10: 배 14: 선체
30: 혼입 장치 34: 유입부
36: 흐름 전환 부재 37: 노즐
38: 기저부10: ship 14: hull
30: mixing device 34: inlet
36: flow switching member 37: nozzle
38: base
Claims (2)
- 일차 유체의 제 1 부분이 통과하여 흐르는 유입부 - 상기 일차 유체의 제 1 부분은 제 1 개구부를 통해 상기 유입부로 유입되고 하나 이상의 노즐을 통해 상기 유입부로부터 배출됨 - ,
- 상기 유입부의 제 1 개구부로부터 다운스트림에 위치된 흐름 전환 부재 - 상기 흐름 전환 부재에 걸쳐서 위로 일차 유체의 제 2 부분이 흐름 - ,
- 상기 이차 유체를 제 1 영역으로 유동시키는 제 2 개구부 - 상기 제 2 개구부는 일차 유체의 제 2 부분과 대상물의 표면 사이에 위치되고 상기 흐름 전환 부재로부터 다운스트림에 위치되거나 또는 상기 흐름 전환 부재에 위치됨 - , 및
- 상기 일차 유체의 제 2 부분이 상기 제 1 영역에 인접하는 영역으로 구성된 자유 표면 - 을 포함하고, 상기 하나 이상의 노즐은 상기 자유 표면을 통해 상기 일차 유체의 제 1 부분을 안내하여 이에 따라 이차 유체의 일부분가 일차 유체의 일부분 내로 혼입되는 이차 유체를 일차 유체 내로 혼입시키고,
- 유입부가 대상물의 표면아래 또는 동일 평면에 위치되고, 상기 노즐이 대상물의 표면 아래에 위치되며, 일차유체의 제 1 부분이 상기 대상물의 표면위로 부분적으로 흐르는 것을 특징으로 하는 장치.An apparatus for incorporating a secondary fluid into a primary fluid while the primary fluid flows along the surface of the object,
An inlet through which the first portion of the primary fluid flows, the first portion of the primary fluid entering the inlet through a first opening and exiting the inlet through one or more nozzles;
A flow diverting member located downstream from the first opening of the inlet; a second portion of the primary fluid flows over the flow diverting member;
A second opening for flowing the secondary fluid into the first region, the second opening being located between the second portion of the primary fluid and the surface of the object and located downstream from the flow diverting member or on the flow diverting member Located-, and
A free surface consisting of a region in which the second portion of the primary fluid is adjacent to the first region, wherein the one or more nozzles guide the first portion of the primary fluid through the free surface and thus the secondary fluid Incorporating a secondary fluid into the primary fluid, wherein a portion of is incorporated into the portion of the primary fluid,
The inlet is located below or coplanar with the surface of the object, the nozzle is located below the surface of the object, and the first part of the primary fluid flows partially over the surface of the object.
- 일차 유체의 제 2 부분으로부터 일차 유체의 제 1 부분을 분리시키는 단계를 포함하고, 이에 따라 대상물의 표면과 일차 유체의 제 2 부분 사이의 압력 영역이 감소되며,
- 이차 유체가 상기 감소된 압력 영역으로 흐를 수 있게 하는 개구부를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 이차 유체는 일차 유체보다 낮은 밀도를 가지고,
- 일차 유체의 제 2 부분을 일차 유체의 제 1 부분과 접촉시킴으로써 이차 유체의 일부분 이상을 일차 유체의 일부분 내에 혼입시키는 단계를 포함하여 구성되고,
상기 일차 유체의 제 2 부분으로부터 일차 유체의 제 1 부분을 분리시키는 단계가,
- 대상물의 표면 아래에 위치되는 유입부에 일차 유체의 제 1 부분을 수용하고,
- 대상물의 표면위로 일차 유체의 제 1 부분이 지나가는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 드래그 감소 방법.A method for reducing frictional drag on a hull of an object designed to be propelled through a primary fluid, wherein the hull has a surface at least partially submerged in the primary fluid, the method comprising:
Separating the first portion of the primary fluid from the second portion of the primary fluid, thereby reducing the pressure region between the surface of the object and the second portion of the primary fluid,
Providing an opening that allows the secondary fluid to flow into the reduced pressure region, the secondary fluid having a lower density than the primary fluid,
Incorporating at least a portion of the secondary fluid into the portion of the primary fluid by contacting the second portion of the primary fluid with the first portion of the primary fluid,
Separating the first portion of the primary fluid from the second portion of the primary fluid,
Receiving a first portion of primary fluid at an inlet located below the surface of the object,
-Passing the first portion of the primary fluid over the surface of the object.
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---|---|---|---|---|
KR20180019904A (en) * | 2016-08-17 | 2018-02-27 | 삼성중공업 주식회사 | ship |
KR101980738B1 (en) * | 2019-04-05 | 2019-05-22 | 조윤규 | Water-jet type air lubrication device for reducing frictional resistance of a ship |
-
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- 2006-01-27 KR KR1020137023163A patent/KR20130102135A/en not_active Application Discontinuation
- 2006-01-27 BR BRPI0621287-5A patent/BRPI0621287A2/en not_active IP Right Cessation
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