达到了剩余阻力 大幅降低的效果。在剩余阻力和摩擦阻力的比较中，剩余阻力的减小要明显大于摩擦阻力 的增大，所W总阻力降低。但是当航速提高，兴波阻力的影响逐渐超过粘压阻力的时候，组 合减阻船型可能在减阻方面的效果会有所下降。
[0084] 四、垂直腊-前缘引流组合减阻船型参数计算
[00化]本发明选择一艘集装箱船作为母型船，并对其和在此基础上进行改进的垂直 腊-前缘引流组合船型进行阻力性能的分析与计算。母型船的总长L。。为156. 6m，水线长 Ui为146. 716m，型宽B为24. 932m，型深D为16. 142m。另外，与阻力性能密切相关的参数 分别是吃水d为8. 790m，方形系数Cb为0. 889,湿表面积S为5951. 461m2。
[0086] 船舶阻力按照流体性质可W分为摩擦阻力，粘压阻力W及兴波阻力。其中粘压阻 力和兴波阻力成为压阻力。模拟过程采用实际工作环境，水的溫度为20°C。实船航速为 11. 9节，为低速工况。根据船舶阻力相关知识可知，在航速为11. 9节的工况下，压阻力在总 阻力中占据超过50%的比例，因此本发明W尽可能多地同时减小兴波阻力和粘压阻力为设 计垂直腊-前缘引流组合减阻船型W及确定垂直腊，前缘引流开孔的形状，大小，处于船体 的位置等参数的主导思想。当然，本发明在计算垂直腊和前缘引流参数时也考虑了船体骨 架强度和组合船装载量等因素的影响。
[0087] 本发明在对母船进行改进时首先考虑的是如何同时减小兴波阻力和粘压阻力。
[0088] 本发明设计的垂直腊的形状是半圆柱，倾斜角度较小，应用于首倾较小的船上效 果更好。并且当体积较大的垂直腊应用于船首时，能显著改善船首的进流角。理论分析表 明，当半圆柱形垂直腊的迎流面积与船的水线面W下横截面积的比例达0. 373时，船首的 进流角被优化到最佳值。由此计算得垂直腊的迎流面积应为82m2。此时首部型线得到最佳 优化，可W使分离点的位置后移，从而延迟边界层分离现象的出现，有效地减少了縱满，从 而减少了船首尾的压力差。虽然由于粘性层的存在，首尾压力差仍然存在，但已经得到有效 减小。粘压阻力从而大幅度降低。
[0089] 另外考虑到要最大程度地减小兴波阻力，必须使垂直腊产生的波系的波峰与船自 身产生的波系的波谷重合。本发明经过几轮的数值模拟计算和多次的参数修改，最终发现 当垂直腊垂向高度与横向宽度的比例达I. 3时，能使垂直腊产生的波系的波峰与船自身产 生的波系的波谷最大程度地重合。结合根据最佳进流角计算出来的垂直腊迎流面积，最终 垂直腊垂向高度为10. 25m，横向宽度为8. 00m。除此W外，为了使船底和垂直腊连接处的流 场稳定不产生额外的粘压阻力，本发明使垂直腊的底部与船底重合。综上，本发明设计的垂 直腊可W最大限度地同时减小兴波阻力和粘压阻力。
[0090] 除此W外，垂直腊船型不仅不会降低船舶的阻力性能，反而相当于在不增加总长 的情况下，间接增加了船舶的水线长Ul。也就是说，在不降低航速的前提下，增加排水量， 即载运更多的货物，降低单位货物的营运成本，提高经济效益。
[0091] 在应用了垂直腊技术并且通过理论分析和实验调整等方法确定了垂直腊的各种 参数之后，本发明在垂直腊技术的基础上应用前缘引流技术。前缘引流技术不仅能减小因 首尾压力差产生的粘压阻力，更能开孔引流改变船舶腊艇区的流场分布。我们经过理论分 析发现，如果将前缘引流技术和我们所提出的垂直腊技术结合，将使船首部，肩部，尾部的 流场更均匀，分离现象更少，能从全船范围内减少縱满产生的概率。相比于单纯应用垂直腊 技术和单纯应用前缘引流技术，将两者组合能更有效得减少粘压阻力。
[0092] 根据伯努利原理可知，当流管的面积不变时，流管中液体均匀流动，流管中不同截 面上的压力相等。此时流体不会因压力的变化对流管产生额外的阻力。因此我们将前缘引 流的槽设计为纵向截面积处处相等但形状从前往后逐渐变扁的结构。为了避免因壁面急剧 变化而产生的縱满引起的粘压阻力，我们将船首的孔设计为圆形，船尾的孔设计为圆角矩 形。
[0093] 当开孔面积增大时，更多的流体通过开槽直接流向船尾，船首高压区面积更大程 度地减小，首尾压力差连同其引起的粘压阻力将得到更大限度的减小。但是，开孔面积增大 后，船体湿面积增大，摩擦阻力随之增大。我们经过多次数值模拟后确定了开孔面积的大小 为9. 62m2,从而使粘压阻力和摩擦阻力的总和最小。换算后得船首圆形开孔直径为3. 50m， 船尾圆角矩形开孔长边近似为9m，短边近似为Im，圆角半径为0. 5m。
[0094] 当开孔距船底距离越大时，更接近船首高压区，首尾压力差会更大程度地减小。但 是船体骨架承载纵向扭矩和横向弯矩的能力会下降，并且船舶的装载量也会下降。综合考 虑，我们将船首圆形开孔的圆屯、和船尾圆角矩形开孔的中屯、定在距离船底3. 44m。
[0095] 参见图6,图7,图8和图9,该垂直腊-前缘引流组合减阻结构的具体参数可W调 整至相对优良状态，其他船舶如要应用本发明可W采用相同比例应用于其上，会达到非常 好的效果。
[0096] 该母型船与组合减阻船型总尺度如下表：
[0097]
[009引前缘引流结构的位置尺寸参数如下表：
阳101] 垂直腊结构位置与尺寸参数如下表： 阳 102]
阳103]W上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，运些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【主权项】
1. 一种用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，包括船体，其特征在于： 在所述船体的船首位置安装有垂直艏，在所述垂直艏的前端开设有圆形孔，在所述船体的 尾部开设有圆角矩形孔，所述圆形孔与所述圆角矩形孔前后贯通，且在所述船体的内部平 滑过渡构成流体经过的流道。2. 根据权利要求1所述的用于低速肥大船型的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，所述 垂直艏的主体形状为半圆柱，其倾斜角度小，其垂向高度与横向宽度比值大约为1. 3。3. 根据权利要求1所述的用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，所述 圆形孔为前缘引流进流口，所述圆角矩形孔为前缘引流出流口。进流孔面积略微大于出流 孔，并且中间光滑连接。圆形进流孔与圆角矩形出流孔中心均位于船底至设计水线一半处。4. 根据权利要求1所述的用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，所述 的低速肥大型船应满足航速低于12节，方形系数Cb大于0. 8。
【专利摘要】一种用于低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构。本发明公开了一种用于船速低于12节，方形系数CB大于0.8的低速肥大型船的垂直艏和前缘引流组合减阻结构，包括船体，在所述船体的船首位置安装有垂直艏，在所述垂直艏的前端开设有圆形孔，在所述船体的尾部开设有圆角矩形孔，所述圆形孔与所述圆角矩形孔前后贯通，且在所述船体的内部平滑过渡构成流体经过的流道。本发明创新的提出垂直艏的概念，用其代替球鼻艏；并且进一步的将垂直艏技术和前缘引流技术结合起来，能有效减小兴波阻力，并且更大程度的减小粘压阻力，使得全船的总阻力最终减少3％之多。
【IPC分类】B63B1/06, B63B1/32
【公开号】CN105197179
【申请号】CN201510717756
【发明人】万德成, 张笑通, 姚昊, 陈芝燚, 齐英鹤, 杨昆
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年10月29日