专利名称：用于减摩船的气泡的产生和用于减少表面摩擦的方法
技术领域：
本发明总的涉及用于减摩船的气泡的产生和降低表面摩擦，特别是涉及一种从船上喷出微气泡以减少表面摩擦的技术。
用来减少船的表面摩擦效应的技术已经在下列首次公开号的日本专利申请中作了公开S50-83992；S53-136289；S60-139586；S61-71290；以及在日本实用新型S61-39691；和S61-128185中作了公开。
这些减摩船在巡航速度下通过插入在水与船体之间的靠把气体(例如空气)从船体表面射入水中而产生的大量的气泡的作用而产生较低的表面摩擦。
为了使用这种气泡喷射技术来增加在船体交界面处的减摩效应，众所周知，在船体表面附近形成的紊流附面层中，一个在下列表达式(1)中的常数ηm必须较大ηm=λm/db·αm2/3(1)式中αm是在紊流附面层中的平均空隙比；db是微气泡的直径；以及λm是一个与船的尺寸有关的常数。
虽然可以认为吹入水中的气体体积应当比较大以增加平均空隙比αm，但是人们发现较大的气体流量将使微气泡被排出紊流附面层，从而不会增加平均空隙比αm。此外，至今还没有一种用来测量平均空隙比αm大小的有效方法。
参上面所引用的现有技术中，微气泡是从压缩机把压缩空气通过多个孔或多孔板射入而产生的。但是，人们已经知道，由射入空气产生的微气泡的直径取决于多泡流速(近似等于船的速度)，因此用限制船速来适应气泡尺寸是不切实际的，而控制射入参数以便在船的任何速度下使气泡尺寸都能达到最佳将是理想的。
本发明的一个目的是提供一种通过控制从船体表面射入水中的气体流量使高效地经过多泡流场的船减少表面摩擦的方法。
本发明的另一个目的是可以产生所要求的直径范围的微气泡而不受船的速度的限制，因此在任何船速下都能减少表面摩擦。
该第一目的可以在一种用于减少船的表面摩擦的方法中实现，该方法通过使气体从设置在船的船体表面上的多个喷嘴中射出，以及通过控制经过喷嘴的气体流量以便在紊流附面层内建立峰值空隙比，从而使该船在船体表面附近产生的多泡流场中经过，根据一项理论性观察，峰值空隙比的位置随着通过喷嘴的气体流量的增加而沿着一个垂直于船体表面的方向移开。
当船在通过把气体从喷嘴射入船的船体表面附近的水中而产生的多泡流场中经过时一种用来使船减少表面摩擦的减少表面摩擦装置包括多个设置在船体表面上用来把气体射入水中的喷嘴；以及一个用来控制进入喷嘴的气体流量的气体供应设备，以便在紊流附面层内建立峰值空隙比。
本发明人进行了关于减少表面摩擦效应与经过船体表面附近的多泡流场的船速和进入喷嘴的气体供应量之间的关系的理论研究，并且把该研究结果公开在日本专利申请H9-142818(首次公开号)中。下面的结论就是根据这项研究得出的。当通过所有喷嘴的气体流量QG均相同时，较低的流速Um将产生较高的空隙比αm和用较小的减摩比Cf/Cf0(有气泡的摩擦系数Cf与无气泡的摩擦系数Cf0的比)所表示的较小的摩擦。当流速Um保持恒定时，较高的气体流量QG将产生较小的减摩比Cf/Cf0，表示此时摩擦减小了。
但是，如图2中所示，还可以发现峰值空隙比从船体表面移开的位置。所以十分清楚的是，本发明的方法是从我们的理论分析中得出的，而且该方法还与下述已知观点相一致即在紊流附面层中的系数ηm必须比较大才能产生有效的表面摩擦减少效应。
除了上述方法外，还提供了一种当船在通过把气泡从设置在船体表面上的喷嘴射入水中所产生的多泡流场中经过时用来产生用于减少船的表面摩擦的气泡的方法，其中该气泡的半径可由下列表达式(2)给出R=2.4{Q/(U·K)}1/2(2)式中Q是气体流量，U是在该多泡流场中的流速，以及K是有效喷嘴的数目。
此外，本发明提供了一种当船在通过把气泡从喷嘴射入水中产生的多泡流场中经过(从而在船与水之间的分界面中产生多泡流场)时用来减少船的表面摩擦的喷嘴装置，该装置包括多个沿着多泡流场的流线排列成几行的喷嘴；以及一个用来把压缩空气供应给选定数目的K个有效喷嘴的气体供应设备，以便产生在一定半径范围内的气泡。
本发明还涉及一种减摩船，该船具有设置在该船上用来当船在多泡流场中经过时减少船的表面摩擦的装置，该装置包括多个沿多泡流场的流线排列成几行的喷嘴；以及一个用来把压缩空气供应给选定数目的K个有效喷嘴的气体供应设备，以便产生在一定半径范围内的气泡。
众所周知，通过把气体从喷嘴射入水中所产生并且在船与水之间的分界面上形成的微气泡的半径由下列表达式(3)给出R=a·(Q/U)1/2(3)式中，Q是通过一个喷嘴进入水中的气体流量，以及U是在由半径为R的微气泡组成的多泡流场中的流动速度。常数a可通过实验获得。
在一系列与本发明有关的实验中，示于图5中的结果可以在水槽实验中获得，这些实验产生的常数a的数值为2.4。在图5中，表达式(3)中的R由实验中所用各种喷咀的直径D加以归一化。
减少表面摩擦方法的一种改进的装置是建立在通过一个选定数目的K个有效喷嘴来供应给定体积的气体的基础上的。这样，通过从l至n改变有效喷嘴的数目K，流量Q就可以从Q(K=1时)变化至Q/n(K=n时)。上述表达式(2)是用于局部多泡流场的一般表达式(3)的一个特殊的情况。在一组给定的流量Q和流速U的情况下，微气泡的半径可以通过改变在表达式(2)中的有效的喷嘴的数目K而进行调整。
图1是在第一实施例中的表面摩擦比与空隙比的曲线图；图2是在第二实施例中的空隙比与Y的曲线图；图3是在第一实施例中的一条减摩船的外视图；图4是在第一实施例中用来产生气泡射流的气体流量的控制系统的示意的框图；图5是用来解释第一实施例的基本原理的曲线图；图6是在第二实施例中的一条减摩船的外视图；以及图7是在第二实施例中用来产生气体射流的气源的控制系统的示意的框图。
下面将参照附图提供几个优选的实施例。
首先介绍第一实施例。图3中示出了船1，船首2，潜面3，螺旋浆装置4，方向舵5，喷嘴6，航行方向F以及吃水线W。在靠近潜面3的船1的船首2处的左舷和右舷两侧设置有许多喷嘴6，虽然图中只示出右舷的设置情况，但这些喷嘴6也同样设置在左舷。同样的喷嘴6也可以设置在靠近船1的船首2处的底面上。
图4示出了一个气体流量控制系统的框图，该系统包括一个电机7，一个鼓风机8，多个控制阀9，一个气体流量控制装置10和一个存储装置11。每个喷孔6经过其自身的控制阀9用管子通到鼓风机8。鼓风机8由电机7带动运转，压缩空气通过各个控制阀9供应。每个控制阀9由气体流量控制装置10独立地控制，以便调整控制阀9的开口大小。
气体流量控制装置10包括(除了其他许多东西以外)一个用来驱动各个控制阀9的接口电路和根据控制程序来控制该接口电路的微处理机。存储装置11存储着控制程序和用来执行该控制程序所需要的流量控制数据。
流量控制数据包括例如通过计算机模拟研究获得的在船体表面附近的空隙比分布数据。换句话说，该数据使计算出的空隙比分配结构与从潜面3的各个区域至紊流附面层的垂直距离发生连系。
在该实施例中，所选择的控制参数是在各个水下位置处的水速和进入喷嘴6的气体流量，并且把使空隙比与可用于这些参数的各种范围的至紊流附面层的距离相连系的数学表达式储存在存储装置11中。这类模拟研究的细节已经在日本专利申请(例如首次公开号H8-144646和H9-292999)中作了公开。
下面将说明气体流量控制装置10的工作。
当船达到巡航速度时，例如，就起动气体流量控制装置10并且开始从喷嘴6喷射气泡。当气体流量控制装置10从速度控制装置(未显示)得到一个该船已经达到巡航速度范围的信号时，它就开始根据控制程序控制各个单独控制阀9的工序。
在从船的速度控制装置接到作为一个控制参数的该减摩船的速度数据以后，气体流量控制装置10根据所报告的巡航速度和所储存的该船的形状数据计算出对于潜面3的各种位置在各种多泡流速下的紊流附面层厚度的数值。然后，气体流量控制装置10得出对于各种位置中的每个位置所需要的一个气体流量的数值，因此，通过把这些紊流附面层的厚度和多泡流速输入气体流量控制数据中，使得峰值空隙比将在潜面3的不同位置的相应的附面层内发生。
这里，由于船的形状各不相同，在潜面3的不同位置上的多泡流速即使在不同位置处的巡航速度可能相同的情况下也可以是不同的。在该实施例中，在计算潜面3的不同位置上的紊流附面层的厚度值时将考虑到这种影响，并且进入不同喷嘴6的气体流量将根据该计算结果进行调整。例如，如果在吃水线W区域的紊流附面层厚度与底面区域的紊流附面层厚度不同，就对进入吃水线区域和底面区域附近的喷嘴6的气体流量彼此独立地进行调整，从而使峰值空隙比分布将位于在这些位置上的相应的紊流附面层中。
因此，通过对各个喷嘴6的气体流量进行调整，就可以通过对潜面3的不同位置上的局部摩擦系数进行调整从而有效地减少表面摩擦，同时通过使所需喷射到水中的气体流量减至最小而节省了能量。
在上述实施例中，在潜面3的不同位置上的多泡流速可以根据船的运动速度获得，并且各喷嘴6的气体流量可以独立地作出调整，但是，在可以认为在潜面3的不同位置上的紊流附面层的厚度没有显著不同的情况下，可以更简单的根据运动速度来均匀地调整各喷嘴6的气体流量。
此外，在上述实施例中，气体流量调整数据可以存放在存储装置11中，但是也可以考虑用一种装置来代替存储装置11，在该装置中，气泡测量装置被设置在潜面3上的各喷嘴6的后部。在这种装置中，沿垂直于潜面3的方向上的空隙比分布可以根据由气泡测量装置所检测的气泡量通过气体流量控制装置10计算出来，而各喷嘴6的气体流量就可以根据该计算结果进行调整。在这种情况下，气泡测量装置可以设置在左和右舷两侧和底面上。此外，这种气泡测量装置可以以多泡水的激光扫描为基础，并且反射数据可以用来决定在给定容积中的气泡数目。
第一实施例的特征总结如下。
(1)该方法提供了一种有效的减少表面摩擦的作用，同时可以节省需要供给喷嘴的气体总量，因为可以调整每个喷嘴的气体流量，从而可以在相应的喷嘴的相应的紊流附面层内建立峰值空隙比，通过我们的研究可知，随着气体流量的增加，紊流附面层的位置沿着垂直于船体的方向移动。
(2)对于潜面的不同位置来说减摩作用都是最佳的，因为每个喷嘴的气体流量可以单独地进行调整，从而峰值空隙比将发生在相应的喷嘴附近的紊流附面层内。
(3)船的制造费用可以降低，因为该具体方法取决于在船体附近的空隙比分布的计算机模拟的预先确定的结果，由此即可对每个喷嘴的气体流量作出调整而不需要用测量装置实时地确定空隙比分布结构。
(4)当在船体上设置有气泡测量装置时，在船体附近的空隙比分布就可以计算出来，并且各喷嘴的气体流量可以根据实时结果而进行调整，因此以巡航船周围的实际空隙比为基础的对于表面摩擦减少作用的更精确的控制就可以实现。
下面将参照附图介绍第二实施例。与在第一实施例中的零件相同的零件将使用同样的标号表示，并且省略对它们的说明。
图6示出了船1A，船首2，潜面3，螺旋浆装置4，方向舵5，航行方向F，流线L以及吃水线W。在接近船首2的潜面3上，由n行沿流线L排列的喷嘴和m列垂直于流线L排列的喷嘴组成的喷嘴13的阵列(m·n)设置在船1A的左和右舷两侧。虽然图中只示出了船1A的右舷的设置情况，同样的喷嘴13的m·n阵列也设置在潜面3的左舷。由n行沿流线L排列和i列垂直于流线L排列的喷嘴的类似的(i·n)阵列设置在船1A靠近船首2处的底部14上。
如图7中所示，沿着n行排列的每个喷嘴13经过其控制阀15借助于管子与鼓风机16相连接。鼓风机16由电机17驱动并且通过相应的控制阀15把压缩空气供应给各个喷嘴13。控制装置18调整控制阀15的开口。
在这样配置的减摩船中，压缩空气被供应给在该阵列的所有喷嘴13中的一个选定数目(K)的有效喷嘴中。有效喷嘴的数目K可以由一个喷嘴13或者由多个相邻的喷嘴13组成。
在这样配置的喷嘴13所产生的微气泡的半径可以根据下列表达式(2)进行调整R=2.4·{Q/(U·K)}1/2(2)式中变量K(一个整数)表示该供应有压缩空气的有效喷嘴的选定的数目；Q是气体流量；m及U是多泡流场中的流速。在船与水之间的附面层中产生的微气泡的半径R可以通过选定该参数K(有效喷嘴的数目)的数值后由控制装置18进行调整。因而实现了不受船速限制的减摩作用，使得在低于船的巡航速度的任何速度下都能够产生最佳的多泡流场。这是一个特别重要的研究成果，因为在较低速度运行时表面摩擦可能对船施加一个不利的制动作用。
在上述实施例中，该喷嘴阵列设置在船1A的底面和侧面上，但是，该喷嘴阵列也可以只设置在底面上或只设置在侧面上。在这种情况下，虽然减摩作用没有前述情况下那么显著，但制造费用可以降低。
因此，第二实施例通过把气体经过设置在船1A的船体上的多个喷嘴13吹入水中，根据方程式(2)在给定的气体流量Q和流速U情况下通过调整有效喷嘴的参数K就可以产生一定半径R的微气泡并且不受船速的限制。
权利要求
1．一种用于减少船的表面摩擦的方法，该方法通过使气体从设置在所述船的船体表面上的多个喷嘴中射出，以及通过控制经过喷嘴的气体流量以便在紊流附面层内建立峰值空隙比，从而使该船在船体表面附近产生的多泡流场中经过，根据一项理论研究，所述峰值空隙比的位置随着通过所述喷嘴的气体流量的增加而沿着一个垂直于所述船体表面的方向移开。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，进入每个喷嘴的气体流量可以单独地进行控制以便在船体表面附近形成的紊流附面层内建立一个峰值空隙比。
3．如权利要求1或2中的一项所述的方法，其特征在于，空隙比分布结构是根据计算机模拟预定的，而进入每个喷嘴的气体流量是根据计算结果进行控制的。
4．如权利要求1或2中的一项所述的方法，其特征在于，一个气泡测量装置设置用来计算在所述船体表面附近的气泡数目以便算出在该附近处的空隙比，并且进入每个喷嘴的气体流量是根据计算结果进行控制的。
5．一种船，该船具有用来减少表面摩擦的表面减摩装置并且在通过把气体从喷嘴射入所述船的船体表面附近的水中所产生的多泡流场中经过，包括多个设置在船体表面用来把气体射入水中的喷嘴；一个用来控制进入喷嘴的气体流量的气体供应设备，以便在紊流附面层内建立一个峰值空隙比。
6．如权利要求5所述的船，其特征在于，所述气体供应设备单独地调整进入每个喷嘴的气体流量，以便在与沿潜面的不同位置相关的紊流附面层内建立一个峰值空隙比。
7．如权利要求5或6中的一项所述的船，其特征在于，所述气体供应设备根据通过计算已经预定的空隙比分布结构来调整进入沿所述船的潜面的不同位置附近的每个喷嘴的气体流量。
8．如权利要求5或6中的一项所述的船，其特征在于，一个气泡测量装置设置用来确定在所述船体表面附近的气泡体积以便计算在所述船的潜面的各个不同位置的空隙比，并且进入每个喷嘴的气体流量根据计算结果进行控制。
9．一种用来产生用于当船在通过把气泡从设置在船体表面上的喷嘴射入水中所产生的多泡流场中经过时减少船的表面摩擦的气泡的方法，其特征在于，所述气泡的半径由下列表达式给出R=2.4·{Q/(U·K)}1/2式中Q是气体流量，U是在该多泡流场中的流速，以及K是有效喷嘴的数目。
10．一种具有用来减少表面摩擦的表面减摩装置的船，当该船从把气泡由喷嘴射入水中所产生的多泡流场中经过时在所述船与水之间的分界面中产生多泡流场，该装置包括多个沿着多泡流场的流线排列成n行的喷嘴；以及一个用来把压缩气体供应给选定数目的K个有效喷嘴的气体供应设备，以便产生具有在一定数值范围内的半径的气泡。
11．如权利要求10所述的船，其特征在于，所述选定数目K可根据下列表达式确定R=2.4·{Q/(U·K)}1/2式中Q是气体流量，U是在多泡流场中的流速，以及K是在所述多个喷嘴中的有效喷嘴的数目。
12．如权利要求10或11中的一项所述的船，其特征在于，喷嘴设置在所述船的船首附近。
13．如权利要求10或11中的一项所述的船，其特征在于，喷嘴设置在所述船的右舷和左舷处的船首附近。
14．一种用来通过把气泡射入水中以便在所述船与水之间的分界中产生充满气泡的水流从而使船的表面摩擦减少的方法，该方法包括多个沿多泡流场的流线排列成n行的喷嘴；以及一个用来把压缩气体供应给选定数目的K个有效喷嘴的气体供应设备，以便产生具有在一定数值范围内的半径的气泡。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述选定数目K可根据下列表达式确定R=2.4·{Q/(U·K)}1/2式中Q是气体流量，U是在多泡流场中的流速，以及K是在所述多个喷嘴中的有效喷嘴的数目。
16．如权利要求14或15中一项所述的方法，其特征在于，喷嘴设置在所述船的底面处的船首附近。
17．如权利要求14或15中一项所述的方法，其特征在于，喷嘴设置在所述船的右舷和左舷处的船首附近。
18．如权利要求14或15中一项所述的方法，其特征在于，喷嘴设置在所述船的右舷和左舷以及底面处的船首附近。
全文摘要
一种用于减少船的表面摩擦的方法,该方法通过使气体从设置在船的船体表面上的多个喷嘴中射出而在船体表面附近产生多泡流场,该船即在该流场中通过。气体流量可以调整以便在紊流附面层内建立峰值空隙比,通过观察可知,随着通过喷嘴的气体流量的增加,峰值空隙比的位置沿着垂直于船体表面的方向移开。
文档编号B63B1/38GK1208128SQ98116848
公开日1999年2月17日 申请日期1998年7月31日 优先权日1997年8月1日
发明者高桥义明, 吉田有希, 加藤洋治 申请人:石川岛播磨重工业株式会社, 加藤洋治