專利名稱：一種利用大氣壓實現(xiàn)船舶減阻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶領(lǐng)域，是一種利用大氣壓實現(xiàn)船舶減阻的方法，起到節(jié)能 減排的作用。
背景技術(shù)：
船在水面上航行時，船體處于水和空氣兩種流體介質(zhì)中運動，同時受到水 和空氣對船體的阻力，船舶航行中受到的總阻力一般按流體種類分成空氣阻力 和水阻力，而水阻力分成船體阻力、附體阻力、洶濤阻力，船體阻力再細分為 摩擦阻力、粘壓阻力、興波阻力等，由于空氣的密度和粘性系數(shù)都要比水的密 度和粘性系數(shù)小得多，空氣阻力只占極小部分，空氣對船舶阻力的影響往往被 忽略，船舶快速性的研究主要集中在摩擦阻力、興波阻力、壓差阻力這幾種阻 力的研究和船型的研究上。目前大部分排水型高速船采用了方艉，國內(nèi)外專家 一般認(rèn)為方艉船增加了船體的虛長度，其尾部縱剖線坡度緩和近于直線，可使 水流大致沿縱剖線方向流動，減少高速水流的扭轉(zhuǎn)和彎曲程度，從而可減少能 量損失，改善阻力性能。為進一步降低船尾興波阻力， 一些方艉船安裝了艉翼 板，艉翼板提高方艉船性能的機理一般認(rèn)為有四方面，1、艉翼板的主要作用在
于抑制"雞尾流"，減小尾浪，使尾波能量損耗減少；2、艉翼板的安裝相當(dāng)于 增加了船長，有利于興波阻力降低；3、加裝艉翼板后，船舶的尾傾有一定程度 的減小，調(diào)整了船舶航行姿態(tài)；4、艉翼板可改變船后體流場，使得船體尾部下 方流體減速，引起船體尾部壓力增加，從而產(chǎn)生作用在后體上的推力，同時有 利于螺旋槳效率和抗空泡性能。
以上所述方艉及艉翼板改善船舶阻力性能的機理帶有一定的主觀因素，目 前艉翼板的安裝位置、角度及尺寸設(shè)計都沒有一個很好的理論作為指導(dǎo)，完全 依靠經(jīng)驗設(shè)計。
本發(fā)明人認(rèn)為空氣阻力雖然只占船舶阻力的極小部分，但空氣對船體阻力 的間接影響卻非常大，壓差阻力的大小、邊界層分離點、旋渦等都跟空氣有密 切的關(guān)系，另外，對于方艉及艉翼板改善船舶阻力性能的機理也持不同觀點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種利用大氣壓實現(xiàn)船舶減阻的方法，其特征是在船體水線部位 設(shè)有一個水氣隔離帶，所述水氣隔離帶底部浸入水中。船舶在水面移動時，船 尾和船體兩側(cè)產(chǎn)生真空區(qū)(或負(fù)壓區(qū))，由于船體外側(cè)有浸入水中的水氣隔離帶，空氣無法進入隔離帶下面的真空區(qū)，水流在大氣壓的作用下，迅速填補到隔離 帶下面的真空區(qū)，大大減小了船尾和船體兩側(cè)水位下降的幅度，減小船舶的阻 力。
為更好地理解本發(fā)明所述一種利用大氣壓實現(xiàn)船舶減阻的方法，假設(shè)有如 圖1所示的一個箱子，將箱子置于水氣交界處，箱子的一半浸入水中，在箱子 側(cè)面開兩個小孔，其中一個在水面上， 一個在水面下，先密封兩個小孔，將箱 子抽成真空，然后迅速打開兩個小孔，這時空氣和水會同時噴入箱子，打開小
孔的瞬間，空氣噴入速度可以用公式v二^/2xp + z7來計算，水的速度可以用公式
v"2x(p + p + gxh)計算，式中v代表速度，p代表大氣壓(101325牛頓/m2)， g代表重力加速度(9.8米/秒2)， h代表小孔在水面下的深度，p代表密虔， 對于空氣，p sn二l. 29公斤/立方米，計算得v ^"396米/秒，而對于水，p水 =1000公斤/立方米，假設(shè)小孔在水面下l米，計算得V7K"14.9米/秒，可見空 氣的速度遠遠大于水的速度，空氣將首先充滿箱子，箱子里的壓力很快上升到 大氣壓，等到箱子內(nèi)外氣壓相等后，大氣壓對水的速度已經(jīng)沒有影響，水的速
度公式變?yōu)镹^V^i^，計算得到v^"4.4米/秒，可見箱子內(nèi)外氣壓平衡后水 的速度大大降低。
同樣的道理，船開始在水面移動時，船體尾部產(chǎn)生微小的局部真空區(qū)，在 大氣壓作用下，空氣迅速填滿水平面以上部分真空區(qū)，而水平面以下的真空區(qū) (以下簡稱A區(qū))，空氣和水會同時填補A區(qū)，由于空氣的密度要比水的密度小 得多，空氣填補A區(qū)的速度遠遠比水填補A區(qū)的速度大，A區(qū)大部分先被空氣占 據(jù)，A區(qū)壓力迅速升高到大氣壓，水由原來同時受大氣壓和重力的共同作用填補 A區(qū)變?yōu)橹豢克徊钤谥亓︱?qū)動下以更慢的速度流向被空氣占據(jù)的A區(qū)，最后將 A區(qū)空氣擠出。由于受空氣的影響，水填補A區(qū)的速度變得太慢，隨著船體的逐 漸移動，船尾后的水位低于水平面，形成一個水坡，而在船頭，由于水流動壓 的原因造成水位抬高，產(chǎn)生壓差阻力。
另一方面，在船頭，水流被船體推開，靠近水面的上層水流，其速度可以 分解為與船行進方向相對應(yīng)的縱向、橫向和垂直于水平面的三個方向的分速度， 水流在垂直于水平面方向有一定的分速度，存在一定動能，在重力的作用下， 激起水波，造成能量損失；而水流在橫向有分速度，水流會遠離船體，造成船 體兩側(cè)水位降低，空氣首先填補到船體兩側(cè)，水在重力作用下慢慢流回船體兩 側(cè)，由于船在移動，水無法及時流回到船體兩側(cè)，船體在重力的作用下往下沉， 直到船體重力與浮力平衡，這也進一步增加了船體前后的差壓阻力。
4根據(jù)以上分析可見，.由于空氣密度小，空氣搶先填補船體外側(cè)水氣交界面 的真空區(qū)(或負(fù)壓區(qū))，導(dǎo)致水無法及時填補真空區(qū)而產(chǎn)生的水位差是影響船體 壓差阻力、興波阻力的一個重要因素，另外這也是造成船體兩側(cè)水流邊界層分 離點提前、旋渦等現(xiàn)象的重要因素。
本發(fā)明依據(jù)以上分析的機理在船體水線部位做出一個水氣隔離帶，水氣隔 離帶底部浸入水中。船在水面移動時，由于船尾有浸入水中的隔離帶，空氣無
法進入隔離帶下面的區(qū)域，氷在相當(dāng)于io米水柱壓力的大氣壓作用下，迅速填
補到船尾，減少船尾水位下降。在船頭，對于沒有安裝水氣隔離帶的常規(guī)船體， 水流因動能轉(zhuǎn)換為位能而抬升水位，再在重力的作用下激起水面的波浪，造成 能量損失，而在船頭水線位置安裝隔離帶后，船頭的水流動受到水氣隔離帶的 限制，無法抬升水位轉(zhuǎn)換為位能，而是直接轉(zhuǎn)換為壓力能，在壓力的作用下把 船頭的水推向兩側(cè)而做功，能量得到最大的回收利用，另一方面，船頭的水流 在兩側(cè)被推離船體，造成船體兩側(cè)水位降低，部分水在重力的作用下慢慢流回 到船體兩側(cè)，如果船體兩側(cè)水線位置安裝有水氣隔離帶，空氣無法進入水氣隔
離帶下面的區(qū)域，在相當(dāng)于io米水柱壓力的大氣壓作用下，水迅速填補到船體
兩側(cè)、貼緊船體向后流動，這樣船體兩側(cè)的水位也基本上不會下降，船體下沉 極小，減小了船體前后的差壓阻力，船體兩側(cè)的旋渦也將大大減小。


圖1空氣和水通過小孔同時進入真空箱的示意圖2方艉型船體尾部安裝水氣隔離帶實施方案的示意圖； 圖3方艉型船體尾部安裝水氣隔離帶及短尾巴實施方案的示意圖； 圖4尖頭尖艉型船體尾部安裝水氣隔離帶實施方案的示意圖； 圖5尖頭尖艉型船體首尾都安裝水氣隔離帶實施方案的示意圖； 圖6尖頭尖艉型船體全部安裝水氣隔離帶實施方案的示意圖。 圖7船體與水氣隔離帶為一體的實施方案的示意圖。
(1) 船體；
(2) 水氣隔離帶；
(3) 短尾巴。
具體實施例方式
本發(fā)明所述水氣隔離帶的作用是在船體外側(cè)水平面位置將水和空氣隔弁， 其形狀可以是任意形狀，為降低成本， 一般采用固定安裝方式。理論上，所述水氣隔離帶采用薄平板、縱傾角設(shè)計為0度，且底部接近水面的效果最佳，但 由于船舶航行時姿態(tài)在變化，為適應(yīng)船舶航態(tài)的變化，也可以將水氣隔離帶設(shè) 計為可調(diào)式，小幅度調(diào)整水氣隔離帶浸入水中的深度和水氣隔離帶與船體的夾 角可以更好的適應(yīng)船舶的不同航態(tài)，以達到更好的效果。另外所述水氣隔離帶 可以圍繞船體一圈全部安裝也可以局部安裝。
1、 方艉型船體尾部安裝水氣隔離帶實施方案
目前大部分排水型高速船都采用了方艉，本發(fā)明人認(rèn)為方艉船的尾部比較 寬，其底部近似為平板并浸在水中，實際上已經(jīng)起到一定水氣隔離的作用，這 是它改善阻力性能的原因，而方艉船尾部采用方艉形狀，水流沿縱剖線方向流 動，水流不能順利繞流到船后，無法填補到船尾，這恰恰是造成船體差壓阻力 變大的原因，另外，方艉船的船尾底部浸入水中的深度過深，船尾底部以上的 水還會受到空氣的影響，方艉船安裝艉翼板后，船尾底部以上的水受到空氣的 影響變小，能進一步防止水位下降，但目前方艉船安裝的艉翼板，其寬度都小 于或等于船尾寬度，不利于船體兩側(cè)水流繞流到船后。
對已經(jīng)建好的方艉船，可以在其尾部加裝一個如圖2所示的薄板型水氣隔
離帶，而且水氣隔離帶應(yīng)向船體兩側(cè)外延伸，其寬度大于相同水平位置船艉的 寬度，以便更好地把水流從船體兩側(cè)引流到船體后面，減少水位的下降，以達 到減阻的作用。
2、 方艉型船體尾部安裝水氣隔離帶及短尾巴實施方案
安裝水氣隔離帶及短尾巴實施方案是在方艉型船體的尾部加裝一個流線型 的短尾巴，短尾巴靠近水線的位置安裝薄板型水氣隔離帶。這種方案，因為流 線型的短尾巴能讓水流更容易繞流填補到船后，可以進一步減少方艉型船體尾 部水位下降，減小船體阻力。 -
3、 尖頭尖艉型船體尾部安裝水氣隔離帶實施方案
由于受空氣的影響，尖艉型船舶在未安裝水氣隔離帶前的阻力性能要比尺 寸相當(dāng)?shù)姆紧盒痛暗淖枇π阅懿睿谒€位置安裝薄板型水氣隔離帶后， 尖艉型船舶的阻力性能反而比方艉型船舶的阻力性能更好，而且比第1種安裝 水氣隔離帶的方艉型船舶的阻力性能還好。
4、 尖頭尖艉型船體頭尾安裝水氣隔離帶實施方案
尖頭尖艉型船舶除尾部安裝薄板型水氣隔離帶外，在船頭水線部位也安裝 薄板型水氣隔離帶，這種方案比前面3種方案的效果都要好，這種方案除了減 少船尾的水位降低外，還可以減少船體兩側(cè)的水位降低，并回收船頭排開的水流的部分能量。
5、 尖頭尖艉型船體全部安裝水氣隔離帶實施方案
這種方案與前一種方案的差別是在船體兩側(cè)最寬的中部位置也安裝薄板型 水氣隔離帶。船體中部兩側(cè)的水氣隔離帶能減小兩側(cè)的波浪，減少船體兩側(cè)的 渦流，但也會增加船體摩擦阻力，兩側(cè)水氣隔離帶能否進一歩減小船體總阻力 還有待實驗驗證。
6、 將水氣隔離帶與船體直接做成一體
將船體直接做成如圖7所示的結(jié)構(gòu)，船體在水線位置延伸出一個水平的區(qū) 域作為水氣隔離帶。
權(quán)利要求
1. 一種利用大氣壓實現(xiàn)船舶減阻的方法，其特征是在船體外側(cè)設(shè)有水氣隔離帶，所述水氣隔離帶為任意形狀，其底部浸入水中，航行時浸入深度在0至80厘米之間，所述水氣隔離帶可以在船體外側(cè)全部安裝也可以局部安裝，對于方艉型船舶，船艉后面安裝的水氣隔離帶，其特征在于水氣隔離帶的寬度大于同一水平位置船艉的寬度或者其下方有一個短尾巴。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用大氣壓實現(xiàn)船舶減阻的方法，其特征是在船體外側(cè)水線部位設(shè)有一個水氣隔離帶，所述水氣隔離帶底部浸入水中。船舶在水面移動時，船尾和船體兩側(cè)產(chǎn)生真空區(qū)(或負(fù)壓區(qū))，由于船體外側(cè)有浸入水中的水氣隔離帶，空氣無法進入水氣隔離帶下面的真空區(qū)，水流在大氣壓的作用下，迅速填補到水氣隔離帶下面的真空區(qū)，大大減小船尾和船體兩側(cè)水位下降的幅度，減小船舶阻力。
文檔編號B63B1/38GK101508326SQ20091013188
公開日2009年8月19日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月9日
發(fā)明者李運剛 申請人:李運剛