一種新型高效水翼的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型高效水翼，該水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板通水翼支柱固定安裝在艦艇下方，水翼板的外表面上設(shè)有由粗糙帶、槽、凹坑或者紋理結(jié)構(gòu)構(gòu)成的減阻結(jié)構(gòu)。具備這種減阻結(jié)構(gòu)的水翼板在水中運(yùn)動時(shí)，具備較高的升阻比，可以降低水翼對水的摩擦阻力和粘滯阻力，增加驅(qū)動水翼艇等運(yùn)載工具的能量效率，在提高船舶航速的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的有益效果。
【專利說明】一種新型高效水翼
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水翼裝置，更具體地說，涉及一種新型高效水翼。
【背景技術(shù)】
[0002]水翼船或水翼艇是可以進(jìn)行高速航行的水中交通工具。船身的底部裝有支架,支架下方安裝有水翼板，水翼板完全或部分浸沒在水中。根據(jù)流體力學(xué)的原理，流速越大的位置，壓強(qiáng)越小。當(dāng)船舶在水中航行時(shí)，水相對于水翼板快速流動，并且經(jīng)過其上表面的水流速度大，下表面的水流速度小，這樣水翼板的上下表面就形成了壓強(qiáng)差，當(dāng)壓強(qiáng)差強(qiáng)到一定程度時(shí)，船身就會被抬高，甚至高出水面。船身浸沒在水中的體積減小，所受到的水的阻力也相應(yīng)大幅度減小，這樣，在相同的推進(jìn)力下，安裝了水翼的船舶可以達(dá)到更高的速度。跟其他的高速艦艇技術(shù)相比，水翼艇(主要是全浸型)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在較為惡劣的海情下航行，艇身的巔簸較少。而且高速航行時(shí)所產(chǎn)生的興波較為少，對岸邊的影響較低。
[0003]由于現(xiàn)在節(jié)能減排的要求，整個(gè)航運(yùn)界和造船界對于能耗指標(biāo)的要求達(dá)到了新的高度。對于船舶制造來說如何減小航行的阻力一直也是很多研究院校研究的一個(gè)方向，船舶阻力的減小能夠在額定功率下達(dá)到更快的速度，達(dá)到節(jié)能減排的目的。安裝水翼雖然可以有效提高船舶的航行速度，但是目前仍有許多問題有待解決。比如水翼在水中運(yùn)動時(shí)，上下翼面都與水接觸。當(dāng)水流過水翼的時(shí)候，由于水本身的粘性，會在水翼表面形成一個(gè)邊界層。邊界層是一個(gè)薄層，它緊靠水翼表面，沿水翼表面法線方向存在著很大的速度梯度和旋度的流動區(qū)域。粘性應(yīng)力對邊界層的水體來說是阻力，所以隨著水體沿物面向后流動，邊界層內(nèi)的水體會逐漸減速，增壓。由于水體流動的連續(xù)性，邊界層會變厚以在同一時(shí)間內(nèi)流過更多的低速水體。因此邊界層內(nèi)存在著逆壓梯度，流動在逆壓梯度作用下，會進(jìn)一步減速，最后整個(gè)邊界層內(nèi)的水體的動能都不足以長久的維持流動一直向下游進(jìn)行，以致在物體表面某處其速度會與勢流的速度方向相反，即產(chǎn)生逆流。該逆流會把邊界層向勢流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。邊界層分離會使得阻力上升，特別是因?yàn)槲辉谒砬昂笏w的壓強(qiáng)差上升，使得壓差阻力變大。阻力上升就會引起速度下降，起不到水翼應(yīng)該起到的作用。
[0004]此外，水翼與來流有一定攻角，翼截面有拱度，因而產(chǎn)生升力。水翼的運(yùn)動速度不斷提高，翼面上的負(fù)壓強(qiáng)便不斷下降，當(dāng)負(fù)壓強(qiáng)降至低于水在當(dāng)時(shí)溫度下的飽和蒸汽壓強(qiáng)時(shí)，局部翼面上的水出現(xiàn)氣泡，當(dāng)氣泡隨水流運(yùn)動到高壓區(qū)的時(shí)候，氣泡收到擠壓收縮甚至發(fā)生潰滅，伴隨著氣泡的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅的循環(huán)過程，是空化的過程?？栈且环N非常有害的現(xiàn)象，它會早成機(jī)械破壞、增大噪聲等后果，并且會引起阻力增大和升力不穩(wěn)定，甚至引發(fā)災(zāi)難事故。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種性能更加優(yōu)異的水翼，這種水翼可以避免現(xiàn)有技術(shù)中低阻力水翼的困難，降低水翼對水的摩擦阻力和粘滯阻力，增加驅(qū)動水翼艇等運(yùn)載工具的能量效率，在提高船舶航速的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的有益效果。
[0006]相應(yīng)地，本發(fā)明在不具限制性的實(shí)施例中提供了一種新型高效水翼以解決上述技術(shù)問題，這種水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板固定安裝在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安裝在艦艇的船身下方，水翼板的外表面上設(shè)有減阻結(jié)構(gòu)，水翼板的翼截面(平行于水翼運(yùn)動時(shí)前進(jìn)方向的截面)為機(jī)翼形或弓形或月牙形，減阻結(jié)構(gòu)可以是是分布在水翼板表面的粗糙帶，粗糙帶可以是連續(xù)的一整片，也可以是斷續(xù)的幾片，多片粗糙帶可以是橫向或者縱向平行分布或者稱陣列形式規(guī)則分布，也可以是無序分布在水翼板的外表面上，根據(jù)試驗(yàn)表明粗糙帶在位于距離水翼板前緣的10%?30%弦長處，其寬度為5%?20%弦長，高度為0.05mm?0.2mm可以取到較好的發(fā)明效果。
[0007]除了粗糙帶以外，減阻結(jié)構(gòu)還可以采用設(shè)置在水翼板表面的凹槽和縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格狀紋理結(jié)構(gòu)。凹槽和紋理結(jié)構(gòu)可以是直線型也可以是曲線型，或者是無規(guī)則線條形狀，凹槽和紋理結(jié)構(gòu)在水翼板表面的分布可以是橫向、縱向平行分布，也可以是無序地分布在水翼板的外表面上。
[0008]在本發(fā)明的眾多實(shí)施例中，作為最優(yōu)化選擇，減阻結(jié)構(gòu)宜采用分布在水翼板表面的凹坑結(jié)構(gòu)。凹坑的數(shù)量可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。這些凹坑的形狀為圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑和不規(guī)則形狀凹坑中的一種或多種的組合。多個(gè)凹坑時(shí)，凹坑在水翼板的外表面的排列方式可以是如下的幾種:縱橫對齊排列、縱橫交錯(cuò)排列、不規(guī)則排列。凹坑的深度范圍在IOmm?40mm時(shí)可以取得比較理想的減阻效果。凹坑在水翼板表面的面積率可以在5%?60%范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。
[0009]水翼在水體中運(yùn)動時(shí)的邊界層，根據(jù)局部流場的雷諾數(shù)不同，邊界層內(nèi)的流體可以分為層流或紊流。光滑的水翼板表面的邊界層內(nèi)通常是層流，而不光滑水翼板的邊界層內(nèi)的水流是紊流。紊流的邊界層受逆壓梯度的影響較小，所以不光滑的水翼板表面的邊界層的分離點(diǎn)相對靠后，其粘性阻力反而較光滑的水翼板更低，壓差阻力更是可以大幅度減小。
[0010]此外在水翼板表面設(shè)置減阻結(jié)構(gòu)，可以增大水翼板表面的流暢湍流，使轉(zhuǎn)捩點(diǎn)提前，顯著提升水翼板表面的流場壓力，延緩空化發(fā)生，并且對水翼的升力影響較小。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益之處在于:
[0012]1.可以有效地推后邊界分離點(diǎn)，減小阻力，通常情況下，水翼艇航行時(shí)，雷諾數(shù)Re能夠達(dá)到105以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)生邊界層分離的Re=60的要求，所以當(dāng)水翼艇正常航行時(shí)，會發(fā)生邊界層的分離現(xiàn)象，而水翼上的減阻結(jié)構(gòu)能夠起到推遲邊界層分離點(diǎn)的作用，減小水翼上的粘性阻力，降低了水翼艇航行時(shí)的能耗；
[0013]2.顯著提升水翼板表面的流場壓力，延緩空化發(fā)生，有效降低了機(jī)械破壞、阻力增大、升力不穩(wěn)定和噪音增大等不良后果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是水翼升力隨攻角變化柱狀圖(橫坐標(biāo)為攻角角度);
[0016]圖3是水翼阻力隨攻角變化柱狀圖(橫坐標(biāo)為攻角角度);
[0017]圖4是水翼阻力隨攻角變化折線圖(橫坐標(biāo)為攻角角度)；[0018]圖5是水翼升阻比隨攻角變化折線圖(橫坐標(biāo)為攻角角度)；
[0019]圖6是固定攻角條件下水翼阻力隨航速變化折線圖(橫坐標(biāo)為航速)；
[0020]圖7是固定攻角條件下水翼升阻比隨航速變化折線圖(橫坐標(biāo)為航速)；
[0021]圖8是具體實(shí)施例二結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖9是具體實(shí)施例三結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖10是具體實(shí)施例四結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面根據(jù)具體實(shí)施例和附圖本本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0025]如圖1和圖2所示的低阻力水翼，包括水翼支柱I和水翼板2，水翼板2的翼截面形狀為機(jī)翼型，水翼板的翼展為15m,弦長為3m,在水翼板2的表面,縱橫對齊排列著圓形凹坑3。這些凹坑3的深度為30mm，凹坑3在水翼板2表面的面積率為50%。
[0026]由于傳統(tǒng)習(xí)慣，人們認(rèn)為越光滑的表面的摩擦阻力越小，而好的材料如鈦合金材料等抗空化的效果會較好，因此傳統(tǒng)的研發(fā)方向多集中在通過改進(jìn)水翼的外形來降低其受到的阻力，采用更好的材料來對抗空化效應(yīng)，但是效果要么不理想，要么提高了水翼的制作成本。本發(fā)明的發(fā)明人克服了傳統(tǒng)的技術(shù)偏見一一粗糙的表面會增大摩擦阻力，將水翼板2的表面上設(shè)置了減阻結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生紊流的邊界層，推遲邊界分離點(diǎn)，提前了轉(zhuǎn)捩點(diǎn)，無論在減少水翼受到的阻力方面，還是減少空化的危害方面，都取得了良好的效果，并且在實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。
[0027]在固定航速V=20m/s的條件下，對本發(fā)明所提供的水翼和同樣尺寸和外形的光滑水翼在不同攻角下所受到的升力(L，單位:牛頓)、阻力(R，單位:牛頓)、升阻比(K)進(jìn)行測試，可以得到如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
[0028]表1-1傳統(tǒng)光滑水翼的升力(L)、阻力(R)、升阻比(K)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
[0029]
【權(quán)利要求】
1.一種新型高效水翼，包括水翼板和水翼支柱，水翼板固定安裝在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安裝在艦艇的船身下方，其特征在于:所述水翼板的外表面上設(shè)有減阻結(jié)構(gòu)，所述減阻結(jié)構(gòu)為分布在水翼板表面的粗糙帶、凹槽、紋理結(jié)構(gòu)或者凹坑中的一種或多種組合，所述粗糙帶、凹槽、紋理結(jié)構(gòu)或者凹坑的數(shù)量最少是一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高效水翼，其特征在于:所述凹坑為圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑和不規(guī)則形狀凹坑中的一種或多種組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型高效水翼，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個(gè)，并在水翼板的外表面縱橫對齊整齊排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型高效水翼，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個(gè)，并在水翼板的外表面縱橫交錯(cuò)排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型高效水翼，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個(gè)，并在水翼板的外表面不規(guī)則排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的新型高效水翼，其特征在于:所述凹坑的深度為IOmm ?40mmo
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型高效水翼，其特征在于:所述凹坑的面積率為5%?20%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高效水翼，其特征在于:所述水翼板的平行于艦艇前進(jìn)方向的截面外輪廓為機(jī)翼型，所述粗糙帶位于距離水翼板前緣的10%?30%弦長處，粗糙帶的寬度為5%?20%弦長，高度0.05mm?0.2_。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高效水翼，其特征在于:所述凹槽位于所述水翼板的表面且平行于所述水翼板的前緣。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型高效水翼，其特征在于:所述紋理結(jié)構(gòu)為縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格狀紋理結(jié)構(gòu)，分布于所述水翼板的表面。
【文檔編號】B63B1/24GK103910023SQ201410134718
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】王化明, 李超, 屠璐瓊, 楊秀勇, 陳俊宏 申請人:浙江海洋學(xué)院