一种水翼船的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种水翼船，这种水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板通过水翼支柱固定安装在舰艇下方，水翼板的外表面上设有由粗糙带、凹坑或者纹理结构构成的减阻结构。安装了这种减阻结构的水翼板的水翼船在水中运动时，具备较高的升阻比和较高的运载能量效率，在提高水翼船航速的同时达到节能减排的有益效果。
【专利说明】一种水翼船
【技术领域】
[0001]本发明涉及水上运输工具，更具体地说，涉及一种带有改良水翼的水翼船。
【背景技术】
[0002]水翼船是可以进行高速航行的水中交通工具。船身的底部装有支架，支架下方安装有水翼板，水翼板完全或部分浸没在水中。根据流体力学的原理，流速越大的位置，压强越小。当船舶在水中航行时，水相对于水翼板快速流动，并且经过其上表面的水流速度大，下表面的水流速度小，这样水翼板的上下表面就形成了压强差，当压强差强到一定程度时，船身就会被抬高，甚至高出水面。船身浸没在水中的体积减小，所受到的水的阻力也相应大幅度减小，这样，在相同的推进力下，安装了水翼的船舶可以达到更高的速度。跟其他的高速舰艇技术相比，水翼船(主要是全浸型)的主要优点是能够在较为恶劣的海情下航行，船身的巅簸较少。而且高速航行时所产生的兴波较为少，对岸边的影响较低。
[0003]由于现在节能减排的要求，整个航运界和造船界对于能耗指标的要求达到了新的高度。对于船舶制造来说如何减小航行的阻力一直也是很多研究院校研究的一个方向，船舶阻力的减小能够在额定功率下达到更快的速度，达到节能减排的目的。安装水翼虽然可以有效提高船舶的航行速度，但是目前仍有许多问题有待解决。比如水翼在水中运动时，上下翼面都与水接触。当水流过水翼的时候，由于水本身的粘性，会在水翼表面形成一个边界层。边界层是一个薄层，它紧靠水翼表面，沿水翼表面法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流动区域。粘性应力对边界层的水体来说是阻力，所以随着水体沿物面向后流动，边界层内的水体会逐渐减速，增压。由于水体流动的连续性，边界层会变厚以在同一时间内流过更多的低速水体。因此边界层内存在着逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，会进一步减速，最后整个边界层内的水体的动能都不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流。该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离。边界层分离会使得阻力上升，特别是因为位在水翼前后水体的压强差上升，使得压差阻力变大。阻力上升就会引起速度下降，起不到水翼应该起到的作用。
[0004]此外，水翼与来流有一定攻角，翼截面有拱度，因而产生升力。水翼的运动速度不断提高，翼面上的负压强便不断下降，当负压强降至低于水在当时温度下的饱和蒸汽压强时，局部翼面上的水出现气泡，当气泡随水流运动到高压区的时候，气泡收到挤压收缩甚至发生溃灭，伴随着气泡的产生、发展和溃灭的循环过程，是空化的过程。空化是一种非常有害的现象，它会早成机械破坏、增大噪声等后果，并且会引起阻力增大和升力不稳定，甚至引发灾难事故。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种性能更加优异的水翼船，这种水翼船装备了低阻力的水翼，装备了低阻力水翼的水翼船，在水中所受到的摩擦阻力和粘滞阻力降低，具有较高的运载能量效率，在提高航速的同时达到节能减排的有益效果。
[0006]相应地，本发明在不具限制性的实施例中提供了一种水翼船以解决上述技术问题，它包括船体和至少一个水翼，水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板固定安装在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安装在舰艇的船身下方，水翼板的外表面上设有减阻结构，水翼板的翼截面(平行于水翼运动时前进方向的截面)为机翼形或弓形或月牙形，减阻结构可以是是分布在水翼板表面的粗糙带，粗糙带可以是连续的一整片，也可以是断续的几片，多片粗糙带可以是横向或者纵向平行分布或者称阵列形式规则分布，也可以是无序分布在水翼板的外表面上，根据试验表明粗糙带在位于距离水翼板前缘的10%?30%弦长处，其宽度为5%?20%弦长，高度为0.05mm?0.2mm可以取到较好的发明效果。实际上水翼可以为两个或两个以上，根据需要设置在船首、船身中部或者船身后部。
[0007]除了粗糙带以外，减阻结构还可以采用设置在水翼板表面的纵横交错的网格状纹理结构。纹理结构可以是直线型也可以是曲线型，或者是无规则线条形状，纹理结构在水翼板表面的分布可以是横向、纵向平行分布，也可以是无序地分布在水翼板的外表面上。
[0008]在本发明的众多实施例中，作为最优化选择，减阻结构宜采用分布在水翼板表面的凹坑结构。凹坑的数量可以是一个，也可以是多个。这些凹坑的形状为圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑和不规则形状凹坑中的一种或多种的组合。多个凹坑时，凹坑在水翼板的外表面的排列方式可以是如下的几种:纵横对齐排列、纵横交错排列、不规则排列。凹坑的深度范围在IOmm?40mm时可以取得比较理想的减阻效果。凹坑在水翼板表面的面积率可以在5%?60%范围内进行选择。
[0009]除了上述改进之外，水翼板在垂直于船体前进方向上的截面轮廓也可以做出一定程度的适应性改良，比如说，这个截面轮廓的形状可以为一字形、V形、倒V形，带水平边倒V形、梯形和阶梯浅V形中的一种。
[0010]此外，还可以对船身做进一步的改良，比如这样设计:在平行于船体前进方向的垂直截面上，所述船体的船首至船偏后船体采用双体滑行艇线形，船体后侧底部在船体偏后处整体阶跃提升；在垂直于船体前进方向的垂直截面上，从船首到船尾的船体底部侧线的夹角角度逐渐增加；双体间隙在垂直于船体前进方向的垂直截面上的形状由带圆角的等腰梯形过渡到圆弧形再过渡到水平线形。这种船身可以兼具滑行艇的船体优点，在船身高速iu进时，进一步减小阻力，提闻航速。
[0011]水翼在水体中运动时的边界层，根据局部流场的雷诺数不同，边界层内的流体可以分为层流或紊流。光滑的水翼板表面的边界层内通常是层流，而不光滑水翼板的边界层内的水流是紊流。紊流的边界层受逆压梯度的影响较小，所以不光滑的水翼板表面的边界层的分离点相对靠后，其粘性阻力反而较光滑的水翼板更低，压差阻力更是可以大幅度减小。
[0012]此外在水翼板表面设置减阻结构，可以增大水翼板表面的流畅湍流，使转捩点提前，显著提升水翼板表面的流场压力，延缓空化发生，并且对水翼的升力影响较小。
[0013]装备了这种水翼的水翼船，其整体所受阻力较小，航行速度和稳定性都优于普通船舶。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益之处在于:
[0015]1.可以有效地推后边界分离点，减小阻力，通常情况下，水翼艇航行时，雷诺数Re能够达到IO5以上，远远大于发生边界层分离的Re=60的要求，所以当水翼船正常航行时，会发生边界层的分离现象，而水翼上的减阻结构能够起到推迟边界层分离点的作用，减小水翼上的粘性阻力，降低了水翼船航行时的能耗；
[0016]2.显著提升水翼板表面的流场压力，延缓空化发生，有效降低了机械破坏、阻力增大、升力不稳定和噪音增大等不良后果，增加水翼船航行时的稳定性，保证水翼船的安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是具体实施例一的结构示意图；
[0018]图2是带凹坑水翼的结构示意图；
[0019]图3是带粗糙带水翼的结构示意图；
[0020]图4是带表面纹理水翼的结构示意图；
[0021]图5是具体实施例二的结构示意图(忽略船体上部结构)；
[0022]图6是具体实施例二的船体前部轮廓截面图(忽略船体上部结构);
[0023]图7是具体实施例二的船体后部轮廓截面图(忽略船体上部结构);
[0024]图8是V形水翼结构示意图；
[0025]图9是T形水翼结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面根据具体实施例和附图本本发明做进一步的说明。
[0027]如图1所示的水翼船，包括船体3和分别设置在船身前部和后部的两个一字形水翼，水翼的结构如图2所示，包括水翼支柱I和水翼板2，水翼板2的翼截面形状为机翼型，水翼板的翼展为15m,弦长为3m,在水翼板2的表面,纵横对齐排列着圆形凹坑3。这些凹坑3的深度为30mm，凹坑3在水翼板2表面的面积率为50%。
[0028]由于传统习惯，人们认为越光滑的表面的摩擦阻力越小，而好的材料如钛合金材料等抗空化的效果会 较好，因此传统的研发方向多集中在通过改进水翼的外形来降低其受到的阻力，采用更好的材料来对抗空化效应，但是效果要么不理想，要么提高了水翼的制作成本。本发明的发明人克服了传统的技术偏见一一粗糙的表面会增大摩擦阻力，将水翼板2的表面上设置了减阻结构，产生紊流的边界层，推迟边界分离点，提前了转捩点，无论在减少水翼受到的阻力方面，还是减少空化的危害方面，都取得了良好的效果，并且在实验中得到了证实。
[0029]在固定航速V=20m/s的条件下，对本发明所提供的水翼和同样尺寸和外形的光滑水翼在不同攻角下所受到的升力(L，单位:牛顿)、阻力(R，单位:牛顿)、升阻比(K)进行测试，可以得到如下的实验结果:
[0030]表1-1传统光滑水翼的升力(L)、阻力(R)、升阻比(K)实验数据
[0031]
【权利要求】
1.一种水翼船，包括船体和至少一个水翼，水翼包括水翼支柱和水翼板，水翼板固定安装在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安装在船体下方，其特征在于:所述水翼板的外表面上设有减阻结构，所述减阻结构为分布在水翼板表面的粗糙带、纹理结构或者凹坑中的一种或多种组合，所述粗糙带、纹理结构或者凹坑的数量最少是一个。
2.根据权利要求1所述的水翼船，其特征在于:所述凹坑为圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑和不规则形状凹坑中的一种或多种组合，所述凹坑的深度为IOmm?40mm。
3.根据权利要求2所述的水翼船，其特征在于:所述凹坑的数量有多个，并在水翼板的外表面纵横对齐整齐排列，或者在水翼板的外表面纵横交错排列，或者在水翼板的外表面不规则排列。
4.根据权利要求3所述的水翼船，其特征在于:所述凹坑的面积率为5%?20%。
5.根据权利要求1所述的水翼船，其特征在于:所述水翼板的平行于舰艇前进方向的截面外轮廓为机翼型，所述粗糙带位于距离水翼板前缘的10%?30%弦长处，粗糙带的宽度为5%?20%弦长，高度0.05mm?0.2mm。
6.根据权利要求1所述的水翼船，其特征在于:所述纹理结构为纵横交错的网格状纹理结构，分布于所述水翼板的表面。
7.根据权利要求1至6任一项所述的水翼船，其特征在于:所述水翼有两个，分别设置在船身如部和后部。
8.根据权利要求7所述的水翼船，其特征在于:所述水翼板在垂直于船体前进方向上的截面轮廓的形状为一字形、V形和梯形中的一种。
9.根据权利要求1所述的水翼船，其特征在于:在平行于船体前进方向的垂直截面上，所述船体的船首至船偏后船体采用双体滑行艇线形，船体后侧底部在船体偏后处整体阶跃提升；在垂直于船体前进方向的垂直截面上，从船首到船尾的船体底部侧线的夹角角度逐渐增加；双体间隙在垂直于船体前进方向的垂直截面上的形状由带圆角的等腰梯形过渡到圆弧形再过渡到水平线形。
【文档编号】B63B1/26GK103910024SQ201410134912
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】王化明, 李超, 屠璐琼, 杨秀勇, 陈俊宏 申请人:浙江海洋学院