一种船舶水射流约束气泡减阻结构的制作方法

本发明涉及船舶气泡减阻技术领域，特别涉及一种船舶水射流约束气泡减阻结构。

背景技术：

船舶气泡减阻能够减小船舶航行阻力，提高航行速度，降低燃料消耗。在众多减阻技术中，气泡减阻由于结构简单、易于操作以及经济性好等优势，在船舶提速和节能领域一直备受关注。通过改造传统船舶，增加适当的气泡减阻结构，有望显著提高船舶航行速度、降低船舶能耗和温室气体排放。

气泡减阻的工作原理主要是通过向船底连续喷射压缩空气或工作废气，在船底表面形成气-水两相流，船底大量气泡的存在会引起船底介质属性和流动结构的改变。由于与船底接触的介质密度、粘度及壁面边界层流动结构的改变使得船体摩擦阻力显著降低。从众多的平板气泡减阻试验结果来看，气泡减阻的减阻效果明显，最大减阻率可达80％以上，被视为一种高效的减阻方式。

然而，气泡减阻技术虽然在机理上可行，在平板试验上也有明显的减阻效果，但目前气泡减阻实船试验的减阻效果仍不理想。由于实船船底型线复杂、气泡上浮和逃逸严重等问题，目前较好的实船气泡减阻净节省功率仅在几个百分点。部分试验中，由于气泡进入螺旋桨工作区，恶化螺旋桨推进效率，反而造成船舶航行的总能耗增加。因此，发明一种可以减少船底气泡逃逸和上浮，避免大量气泡进入螺旋桨工作区的气泡减阻结构，能够为气泡减阻船舶的提速和节能提供技术保障，对进一步推广基于气泡减阻技术的高速船舶具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种船舶水射流约束气泡减阻结构，能够减少减阻船舶船底气泡上浮和逃逸，为气泡减阻船舶的提速和节能提供技术保障。

一种船舶水射流约束气泡减阻结构，包括设置在船底前缘的通气槽，还包括：

水射流后置喷射单元，包括两组喷头和高压供水管路，所述喷头朝向船尾，两组喷头分别布置在船底两侧且沿着船身的长度方向分布，用于在船底两侧形成高速水射流以阻止所述通气槽向船底排出的气泡的上浮和逃逸。

本发明的工作原理：压缩空气或船舶工作废气通过通气槽连续喷射进入船底，沿船舶航行的反方向运动。同时由于浮力和湍流扩散等作用力，气泡向船底两侧展向扩散。由于水射流后置喷射单元在船底两侧产生的高速水射流，在船底左右边缘形成强烈的局部剪切流场，水射流剪切场中存在极大的速度梯度，阻止了气泡的展向运动以及进一步脱离船底引起的气泡上浮和逃逸，相应减少了气体损失和增加了船底气泡覆盖率。在水射流剪切流场的作用下气泡继续紧贴船底沿下游运动，从而保证大尺度船体长度方向上持续减阻的效果，又能减少气泡减阻所需的压缩气量。

优选的，还包括：

水射流斜喷头，布置在船底位于螺旋桨前部，在螺旋桨两侧形成同一位置喷射出的两道斜喷水射流以阻止所述通气槽向船底排出的气泡进入螺旋桨工作区。

位于螺旋桨工作区前部的水射流斜喷头形成的剪切流场充当了船底流场的导流结构。在水射流引起的剪切流场的约束下，气泡以水射流剪切场外缘为界向船尾两侧运动，绕开螺旋桨离开船体，避免了大量气泡直接进入螺旋桨工作区域而恶化螺旋桨性能。从而在获得船体高效减阻的前提下，又保证了螺旋桨的效率。

为了提高气泡减阻效果，优选的，所述通气槽内嵌多孔介质板。内嵌多孔介质板与气体管路相连，作为连续气泡发生器。

优选的，所述喷头采用渐缩喷口。喷头布置的数量根据船体长度和设计航速确实。

为了方便安装和制造，优选的，所述水射流斜喷头采用双喷口喷头，两个喷口的夹角为60°～120°，两个喷口的朝向分别在螺旋桨的两侧。

为了不影响气泡的流向和数量，优选的，所述高压供水管路的吸水口设置在船舶前部。

为了方便制造和安装，简化整体结构，优选的，所述高压供水管路包括：

吸水管，安装在船舱内，吸水口位于所述通气槽的前方；

高压水泵，安装在船舱内，连接吸水管；

分流管，安装在船舱内，中部与所述高压水泵的出水口连通，两端延伸至船头的两侧并向上延伸至船板上部；

两根供水管，分别设置在船体的两侧，所述分流管的两端出水口分别与其中一根供水管连接；

喷射管，对应喷头设置，一端与供水管的管体连通，另一端伸入船底且与喷头连接。

为了方便制造和安装，简化整体结构，优选的，两根供水管的另一端延伸至船底并且在船底通过连接管连通，所述水射流斜喷头的进水口安装在所述连接管的中部。

本发明的有益效果：

水射流约束气泡减阻技术能够有效约束船体气泡运动，极大地减少船底气泡沿船体两侧的逃逸，优化船底气泡覆盖率，以获得更好的减阻效果；尤其是对于船体较长的大尺度船舶，极大地提高了船舶长度方向的持续减阻效果，有效降低其航行阻力。

附图说明

图1为本发明的船舶水射流约束气泡减阻结构安装在船舶上时船底的结构示意图。

图2为图1的正视示意图。

图3为图1的侧视示意图。

图4为本发明的船舶水射流约束气泡减阻结构的喷头的结构示意图。

图5为本发明的船舶水射流约束气泡减阻结构的水射流斜喷头的结构示意图。

具体实施方式

如图1～5所示，本实施例的船舶水射流约束气泡减阻结构包括：船底前缘的通气槽1，高压水泵2，船底两侧的多个水射流后置的喷头3，管路系统4以及螺旋桨前部的水射流斜喷头5，喷头3紧贴船底安装。

通气槽1紧贴船底位于船首声呐系统或球鼻艏之后，基本形式和供气方式可参考现有气泡减阻船舶。

高压供水管路4包括：吸水管41，安装在船舱内，吸水口位于通气槽1的前方，连接高压水泵2；分流管42，安装在船舱内，中部与高压水泵2的出水口连通，两端延伸至船头的两侧并向上延伸至船板上部；两根供水管43，分别设置在船体的两侧，分流管42的两端出水口分别与其中一根供水管43连接；喷射管44，对应喷头3设置，一端与供水管43的管体连通，另一端伸入船底且与喷头3连接，喷射管44安装喷头3的一端向紧贴船底并向船底内侧延伸；两根供水管43的另一端延伸至船底并且在船底通过连接管45连通，水射流斜喷头5的进水口安装在连接管45的中部。

高压供水管路从船体前部(通气槽1前侧)吸入海水，通过高压水泵2加压，沿左右舷管路分别连接到船体两侧的多个喷头3，最后通过船底连接到水射流斜喷头5。喷头3如图4所示，采用渐缩型喷口，以增加水射流出口流速，喷口通过焊接连接船体。水射流斜喷头5如图5所示，两喷口对称布置，夹角范围60°～120°，喷口通过焊接固定。

实施中，先根据船舶尺寸和结构，确定通气槽1的位置和尺寸。随后，根据改进后的目标航速，确定水射流流速，进一步根据船体长度，确定水射流后置的喷头3的数量和相应位置。然后，参照船尾结构和螺旋桨大小和位置，确定水射流斜喷口5的安装位置和喷口夹角。根据水射流流速和喷口水量选取高压水泵，选定射流用水吸入口。最后在上述基础上，按照图1的管路系统形式设计实施例的水射流管路系统，并进行加工和安装。

本实施例中通气槽1通气量和水射流流速需与船体目标航速的匹配相当重要，在具体实施前，需根据实施船体和目标航速，通过模型实验和数值计算，开展多目标优化设计确定上述参数最佳匹配状态。

本实施例的工作原理：压缩空气或船舶工作废气通过通气槽1连续喷射进入船底，沿船舶航行的反方向运动。同时由于浮力和湍流扩散等作用力，气泡向船底两侧展向扩散。由于船底两侧水射流后置的喷头3产生的高速水射流，在船底左右边缘形成强烈的局部剪切流场，水射流剪切场中存在极大的速度梯度，阻止了气泡的展向运动以及进一步脱离船底引起的气泡上浮和逃逸，相应减少了气体损失和增加了船底气泡覆盖率。在水射流剪切流场的作用下气泡继续紧贴船底沿下游运动，从而保证大尺度船体长度方向上持续减阻的效果，又能减少气泡减阻所需的压缩气量。

同时，位于螺旋桨工作区前部的水射流斜喷头5形成的剪切流场充当了船底流场的导流结构。在水射流引起的剪切流场的约束下，气泡以水射流剪切场外缘为界向船尾两侧运动，绕开螺旋桨离开船体，避免了大量气泡直接进入螺旋桨工作区域而恶化螺旋桨性能。从而在获得船体高效减阻的前提下，又保证了螺旋桨的效率。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。