本發(fā)明涉及船舶氣泡減阻技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種船舶水射流約束氣泡減阻結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

船舶氣泡減阻能夠減小船舶航行阻力，提高航行速度，降低燃料消耗。在眾多減阻技術(shù)中，氣泡減阻由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作以及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)，在船舶提速和節(jié)能領(lǐng)域一直備受關(guān)注。通過改造傳統(tǒng)船舶，增加適當(dāng)?shù)臍馀轀p阻結(jié)構(gòu)，有望顯著提高船舶航行速度、降低船舶能耗和溫室氣體排放。

氣泡減阻的工作原理主要是通過向船底連續(xù)噴射壓縮空氣或工作廢氣，在船底表面形成氣-水兩相流，船底大量氣泡的存在會(huì)引起船底介質(zhì)屬性和流動(dòng)結(jié)構(gòu)的改變。由于與船底接觸的介質(zhì)密度、粘度及壁面邊界層流動(dòng)結(jié)構(gòu)的改變使得船體摩擦阻力顯著降低。從眾多的平板氣泡減阻試驗(yàn)結(jié)果來看，氣泡減阻的減阻效果明顯，最大減阻率可達(dá)80％以上，被視為一種高效的減阻方式。

然而，氣泡減阻技術(shù)雖然在機(jī)理上可行，在平板試驗(yàn)上也有明顯的減阻效果，但目前氣泡減阻實(shí)船試驗(yàn)的減阻效果仍不理想。由于實(shí)船船底型線復(fù)雜、氣泡上浮和逃逸嚴(yán)重等問題，目前較好的實(shí)船氣泡減阻凈節(jié)省功率僅在幾個(gè)百分點(diǎn)。部分試驗(yàn)中，由于氣泡進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)，惡化螺旋槳推進(jìn)效率，反而造成船舶航行的總能耗增加。因此，發(fā)明一種可以減少船底氣泡逃逸和上浮，避免大量氣泡進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)的氣泡減阻結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)闅馀轀p阻船舶的提速和節(jié)能提供技術(shù)保障，對(duì)進(jìn)一步推廣基于氣泡減阻技術(shù)的高速船舶具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種船舶水射流約束氣泡減阻結(jié)構(gòu)，能夠減少減阻船舶船底氣泡上浮和逃逸，為氣泡減阻船舶的提速和節(jié)能提供技術(shù)保障。

一種船舶水射流約束氣泡減阻結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在船底前緣的通氣槽，還包括：

水射流后置噴射單元，包括兩組噴頭和高壓供水管路，所述噴頭朝向船尾，兩組噴頭分別布置在船底兩側(cè)且沿著船身的長(zhǎng)度方向分布，用于在船底兩側(cè)形成高速水射流以阻止所述通氣槽向船底排出的氣泡的上浮和逃逸。

本發(fā)明的工作原理：壓縮空氣或船舶工作廢氣通過通氣槽連續(xù)噴射進(jìn)入船底，沿船舶航行的反方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)由于浮力和湍流擴(kuò)散等作用力，氣泡向船底兩側(cè)展向擴(kuò)散。由于水射流后置噴射單元在船底兩側(cè)產(chǎn)生的高速水射流，在船底左右邊緣形成強(qiáng)烈的局部剪切流場(chǎng)，水射流剪切場(chǎng)中存在極大的速度梯度，阻止了氣泡的展向運(yùn)動(dòng)以及進(jìn)一步脫離船底引起的氣泡上浮和逃逸，相應(yīng)減少了氣體損失和增加了船底氣泡覆蓋率。在水射流剪切流場(chǎng)的作用下氣泡繼續(xù)緊貼船底沿下游運(yùn)動(dòng)，從而保證大尺度船體長(zhǎng)度方向上持續(xù)減阻的效果，又能減少氣泡減阻所需的壓縮氣量。

優(yōu)選的，還包括：

水射流斜噴頭，布置在船底位于螺旋槳前部，在螺旋槳兩側(cè)形成同一位置噴射出的兩道斜噴水射流以阻止所述通氣槽向船底排出的氣泡進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)。

位于螺旋槳工作區(qū)前部的水射流斜噴頭形成的剪切流場(chǎng)充當(dāng)了船底流場(chǎng)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。在水射流引起的剪切流場(chǎng)的約束下，氣泡以水射流剪切場(chǎng)外緣為界向船尾兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，繞開螺旋槳離開船體，避免了大量氣泡直接進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)域而惡化螺旋槳性能。從而在獲得船體高效減阻的前提下，又保證了螺旋槳的效率。

為了提高氣泡減阻效果，優(yōu)選的，所述通氣槽內(nèi)嵌多孔介質(zhì)板。內(nèi)嵌多孔介質(zhì)板與氣體管路相連，作為連續(xù)氣泡發(fā)生器。

優(yōu)選的，所述噴頭采用漸縮噴口。噴頭布置的數(shù)量根據(jù)船體長(zhǎng)度和設(shè)計(jì)航速確實(shí)。

為了方便安裝和制造，優(yōu)選的，所述水射流斜噴頭采用雙噴口噴頭，兩個(gè)噴口的夾角為60°～120°，兩個(gè)噴口的朝向分別在螺旋槳的兩側(cè)。

為了不影響氣泡的流向和數(shù)量，優(yōu)選的，所述高壓供水管路的吸水口設(shè)置在船舶前部。

為了方便制造和安裝，簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的，所述高壓供水管路包括：

吸水管，安裝在船艙內(nèi)，吸水口位于所述通氣槽的前方；

高壓水泵，安裝在船艙內(nèi)，連接吸水管；

分流管，安裝在船艙內(nèi)，中部與所述高壓水泵的出水口連通，兩端延伸至船頭的兩側(cè)并向上延伸至船板上部；

兩根供水管，分別設(shè)置在船體的兩側(cè)，所述分流管的兩端出水口分別與其中一根供水管連接；

噴射管，對(duì)應(yīng)噴頭設(shè)置，一端與供水管的管體連通，另一端伸入船底且與噴頭連接。

為了方便制造和安裝，簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的，兩根供水管的另一端延伸至船底并且在船底通過連接管連通，所述水射流斜噴頭的進(jìn)水口安裝在所述連接管的中部。

本發(fā)明的有益效果：

水射流約束氣泡減阻技術(shù)能夠有效約束船體氣泡運(yùn)動(dòng)，極大地減少船底氣泡沿船體兩側(cè)的逃逸，優(yōu)化船底氣泡覆蓋率，以獲得更好的減阻效果；尤其是對(duì)于船體較長(zhǎng)的大尺度船舶，極大地提高了船舶長(zhǎng)度方向的持續(xù)減阻效果，有效降低其航行阻力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的船舶水射流約束氣泡減阻結(jié)構(gòu)安裝在船舶上時(shí)船底的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的正視示意圖。

圖3為圖1的側(cè)視示意圖。

圖4為本發(fā)明的船舶水射流約束氣泡減阻結(jié)構(gòu)的噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明的船舶水射流約束氣泡減阻結(jié)構(gòu)的水射流斜噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1～5所示，本實(shí)施例的船舶水射流約束氣泡減阻結(jié)構(gòu)包括：船底前緣的通氣槽1，高壓水泵2，船底兩側(cè)的多個(gè)水射流后置的噴頭3，管路系統(tǒng)4以及螺旋槳前部的水射流斜噴頭5，噴頭3緊貼船底安裝。

通氣槽1緊貼船底位于船首聲吶系統(tǒng)或球鼻艏之后，基本形式和供氣方式可參考現(xiàn)有氣泡減阻船舶。

高壓供水管路4包括：吸水管41，安裝在船艙內(nèi)，吸水口位于通氣槽1的前方，連接高壓水泵2；分流管42，安裝在船艙內(nèi)，中部與高壓水泵2的出水口連通，兩端延伸至船頭的兩側(cè)并向上延伸至船板上部；兩根供水管43，分別設(shè)置在船體的兩側(cè)，分流管42的兩端出水口分別與其中一根供水管43連接；噴射管44，對(duì)應(yīng)噴頭3設(shè)置，一端與供水管43的管體連通，另一端伸入船底且與噴頭3連接，噴射管44安裝噴頭3的一端向緊貼船底并向船底內(nèi)側(cè)延伸；兩根供水管43的另一端延伸至船底并且在船底通過連接管45連通，水射流斜噴頭5的進(jìn)水口安裝在連接管45的中部。

高壓供水管路從船體前部(通氣槽1前側(cè))吸入海水，通過高壓水泵2加壓，沿左右舷管路分別連接到船體兩側(cè)的多個(gè)噴頭3，最后通過船底連接到水射流斜噴頭5。噴頭3如圖4所示，采用漸縮型噴口，以增加水射流出口流速，噴口通過焊接連接船體。水射流斜噴頭5如圖5所示，兩噴口對(duì)稱布置，夾角范圍60°～120°，噴口通過焊接固定。

實(shí)施中，先根據(jù)船舶尺寸和結(jié)構(gòu)，確定通氣槽1的位置和尺寸。隨后，根據(jù)改進(jìn)后的目標(biāo)航速，確定水射流流速，進(jìn)一步根據(jù)船體長(zhǎng)度，確定水射流后置的噴頭3的數(shù)量和相應(yīng)位置。然后，參照船尾結(jié)構(gòu)和螺旋槳大小和位置，確定水射流斜噴口5的安裝位置和噴口夾角。根據(jù)水射流流速和噴口水量選取高壓水泵，選定射流用水吸入口。最后在上述基礎(chǔ)上，按照?qǐng)D1的管路系統(tǒng)形式設(shè)計(jì)實(shí)施例的水射流管路系統(tǒng)，并進(jìn)行加工和安裝。

本實(shí)施例中通氣槽1通氣量和水射流流速需與船體目標(biāo)航速的匹配相當(dāng)重要，在具體實(shí)施前，需根據(jù)實(shí)施船體和目標(biāo)航速，通過模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，開展多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定上述參數(shù)最佳匹配狀態(tài)。

本實(shí)施例的工作原理：壓縮空氣或船舶工作廢氣通過通氣槽1連續(xù)噴射進(jìn)入船底，沿船舶航行的反方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)由于浮力和湍流擴(kuò)散等作用力，氣泡向船底兩側(cè)展向擴(kuò)散。由于船底兩側(cè)水射流后置的噴頭3產(chǎn)生的高速水射流，在船底左右邊緣形成強(qiáng)烈的局部剪切流場(chǎng)，水射流剪切場(chǎng)中存在極大的速度梯度，阻止了氣泡的展向運(yùn)動(dòng)以及進(jìn)一步脫離船底引起的氣泡上浮和逃逸，相應(yīng)減少了氣體損失和增加了船底氣泡覆蓋率。在水射流剪切流場(chǎng)的作用下氣泡繼續(xù)緊貼船底沿下游運(yùn)動(dòng)，從而保證大尺度船體長(zhǎng)度方向上持續(xù)減阻的效果，又能減少氣泡減阻所需的壓縮氣量。

同時(shí)，位于螺旋槳工作區(qū)前部的水射流斜噴頭5形成的剪切流場(chǎng)充當(dāng)了船底流場(chǎng)的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。在水射流引起的剪切流場(chǎng)的約束下，氣泡以水射流剪切場(chǎng)外緣為界向船尾兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，繞開螺旋槳離開船體，避免了大量氣泡直接進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)域而惡化螺旋槳性能。從而在獲得船體高效減阻的前提下，又保證了螺旋槳的效率。

最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有很多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。