船舶航行节能装置 一 技术领域
本发明属于“船舶节能设计”的技术领域。
二 背景技术
1.船舶阻力
众所周知，船舶在水上航行时受到空气和水二者对船体的反向作用力，这种与船体运动方向相反的流体作用力，称之为“船舶阻力”。
2.船舶阻力的分类
船舶所受到的阻力可分为两个部分。一部分是裸船体在静水中受到的总阻力(RT)；另一部分是包括空气阻力(RA)、波浪引起的阻力增值(RAW)与船舶所受到的附体阻力等，这几种阻力统称为“附加阻力”。其中，船舶在静水中受到的总阻力(RT)是船舶阻力的主要成分。关于静水中船体总阻力(RT)的划分，请见下表。 静水中船体总阻力的划分 静水中船体总阻力RT 摩擦阻力RF′ 切向阻力RF′ 粘压阻力 RPv 兴波阻力RW 压差阻力RP 尾流阻力 破波阻力 RWG 波形阻力RWP 船形曲度引起的 摩擦阻力的增加 相当平板摩擦阻力RF 剩余阻力RR 粘性阻力 Rv 兴波阻力RW 相当平板摩擦阻力RF 计及船形因子kRF
说明：表中的摩擦阻力是船体在运动时，受水的粘性切应力地作用，而在运动方向上产生的合力；兴波阻力是船体运动时兴起波浪时，使船体表面压力分布改变所引起的阻力；粘压阻力是由于流体的“粘滞性”引起船体表面压力变化而形成的阻力。付汝德把船舶的总阻力主要划分为“相当平板摩擦阻力”RF、“粘压阻力”和“兴波阻力”等几个方面。而相当平板摩擦阻力RF的数值可以按照付汝德相似律进行换算。
3.船舶总阻力的表达式
RT=12ρV2SCT---(1)]]>
4.船舶阻力有关参数的相互关系
雷诺数：Rn=VLv---(2)]]>
付汝德数：Fn=VgL---(3)]]>
体积付汝德数：FnΔ=VgΔ1/3---(4)]]>
以上各式中，S是船舶的湿面积，V是船舶的航速，v是流体的运动粘度系数，Δ是排水量，L是船长，g是重力加速度常数。
1)阻力系数的表达原则：
由船模阻力试验可直接得到船模阻力与速度之间的关系曲线。为方便进行船体阻力的换算以及不同船形之间比较阻力性能的优劣，需要将船模试验所得到的阻力与速度之间的关系，以一定的参数恰当的加以表达，常用的表达方法应遵循以下基本原则：
a.阻力系数和速度系数所包含的参数应是在设计时的已知值，如船长、排水量，速度等；
b.阻力系数与速度系数应是无因次的，以避免绝对尺度和单位制不同所造成的影响；
c.阻力系数的值应显示出峰值和谷值，以便在设计时尽量地做到避“峰”就“谷”。
2)阻力系数通常的表示方法：
a.总阻力系数：
CT=RT12ρSV2---(5)]]>
b.阻力系数和付汝德数表示方法，即
CT=RT12ρSV2]]>或RT12ρV2Δ2/3≈VgL---(6)]]>
这种表示方法常用于阻力换算中，是作常用的方法之一。
3)船模阻力和实船阻力的换算
船模阻力试验的主要目的是把试验所得到的船模阻力换算到实船的静水总阻力或有效功率。具体的换算方法有下述两种：
a.二因次换算法
也称为付汝德换算法，即根据付汝德的基本假设把阻力分成摩擦阻力和剩余阻力两个部分，在船模和实船的Fn相对时，认为两者的剩余阻力系数是相等的，二摩擦阻力则根据船模和实船的雷诺数分别由平板摩擦阻力系数公式计算求得。换算时一般都用无因次阻力系数来进行。对于船模，则有：CTM＝CFM+CRM。其中，CTM由船模试验求得，CFM由摩擦阻力系数公式根据船模试验的雷诺数计算得到，对船模和实船速度相对应(即Fn相等时)，有：CRM＝CRS，则实船的总阻力系数：CTS＝CFS+CRM+ΔCF，其中，ΔCF为实船粗糙度补贴。于是，我们可以写出实船的总阻力为：
RT=12ρV2SCTS---(7)]]>
b.三因次换算法
由休斯在1954年提出。这种方法把船舶阻力分成3部分，即平板摩擦阻力、形状阻力(或称粘压阻力)和自由面引起的兴波阻力，并认为形状阻力系数与平板摩擦阻力系数的比值是一个常数，它不随雷诺数而变，仅取决于船体形状，即：CTM＝(1+k)CFM+CRM。其中的kCFM为形状阻力系数，即把“二因次方法”包含的“剩余阻力系数”中的“形状阻力系数”划归为受到雷诺数影响的摩擦阻力系数之中，并构成摩擦阻力系数的一个固定分数。这时，实船的总阻力系数应为：
CTS＝(1+k)CFS+CRM+CA+CAA (8)
1978年第15届ITTC提出的“单浆船性能预报方法”中阻力换算就是按照上式进行的，并规定为：
CA={105(KSLWL)1/3-0.64]×10-3;]]>
CAA=0.001(ATVS).]]>
式中的Ks是50mm长度内船体粗糙表面的平均波动幅度。
5.附加阻力
正如所知，船舶在航行时，除船体受到摩擦阻力、兴波阻力、和粘压阻力之外，船舶的各种附体及船体上的开孔也会遭受到阻力的作用；与此同时，船舶水面以上的船体和上层建筑部分，还将受到空气阻力；再者，由于船体外板上的油漆剥落、锈蚀和粘附的水生物而引起污底阻力；除此之外，海上的风浪也会使船舶的阻力比静水中的阻力有一定程度的增加：所有这些额外增加的阻力，我们统称之为“附加阻力”。
三 发明内容
鉴于造成船舶附加阻力的因素较复杂，所以我们这里暂不予考虑。排除附加阻力后，通过关系式(7)可以发现：船舶的总阻力(RT)刚好与流体的密度(ρ)成反比。还有，由流体力学理论知道，流体的兴波阻力(RW)和粘压阻力(RPv)不仅与密度有关，而且还与它的粘度(ν)有关，即：粘度越大，其粘压阻力和兴波阻力也就越大。由此而启迪我们：如果能够在船舶航行的过程中，随时降低流体的密度和粘度，也就可以在很大程度上改变船舶所受到的航行阻力。不难想象，向流体中充灌压缩空气的做法，可在一定程度上减小流体的密度与粘度。为此，本发明拟采用向船艏有关部位充灌压缩空气的做法，来达到降低船舶的航行阻力，提高它的航运经济性。
四 具体方案
本发明的具体方案是：结合实船球匕首的形状，制作一个由不锈钢管组成的“多孔压缩空气混合喷射罩”(参见图3)。在船舶下水之前，把这个“喷射罩”固定在船艏的相应部位，用其将球匕首罩住(参见图2)。该空气混合喷射罩的形状，应结合船艏的形状设计成离开球匕首大约1000～4000毫米不等的空间距离，其具体尺寸可以根据船艏形状并由船模实验来确定。在喷射罩所有喷气管的内侧布置一定数量的喷气孔，这些喷气孔的出气方向应尽量与船舶的前进方向相反(参见图4)。喷气孔直径与数量应根据计算与船模实验来确定，应以有效降低船舶的航行阻力并防止形成“穴蚀冲击”为基本前提。并且，在船艏舱室的适当位置安装两台空气压缩机组和两个压缩空气瓶(互为备用)，在每一个空气瓶与喷射罩之间均设置几组管路，并在每组管路上设两个具有截止止回功能的电磁阀，以便根据船舶的吃水情况来控制每组喷射罩的工作状态。该装置的控制系统设置在驾驶台，实行远距离控制(参见图1)。
五 附图说明
图1.船舶航行节能装置系统框图
图2.船舶航行节能装置安装示意图
图3.空气混合喷射罩外形结构示意图
图4.空气混合喷射罩位置A的局部放大图
六 具体实施方式
在实施本方案之前，必须进行船模实验。只有通过船模实验，才能确定该节能装置的外形尺寸、喷气管的直径、喷气孔的数量与孔径的大小、空气压缩机的功率与空气瓶的容量等。在确定了上述参数之后，才可以结合实船船艏的形状，设计相应的节能装置，并在船舶下水之前，将其安装固定在船艏的位置之上。