[发明专利]用于减小浸没表面上的流体拖曳力的设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于减小通过水行进的船只的船体上的表面摩擦拖曳力的装置及方法。

背景技术

表面摩擦拖曳力或“表皮摩擦”拖曳力是通过水推进水面船只所需要的总力的显著分量。减小表面摩擦拖曳力使船只能够以更高的速度及/或更高效地行进。相应地，减小表面摩擦拖曳力是水面船只及浸没船只两者的船只船体设计领域中的大量研究的主题。

特定船只船体上的表面摩擦拖曳力的量值部分取决于所述船体通过其行进的液体的粘度(通常是淡水或咸水)、所述液体的密度及所述液体与所述船体的浸没表面之间的表面张力。

如图2中所示意性显示，表面摩擦拖曳力的作用集中在“边界层”22中，边界层22是其中动量从船体14的表面16传递到液体12的液体层。动量传递在最靠近船体14的表面16的液体部分中最大且向边界层22的边缘26降低。边界层22中的动量传递导致水12相对于船体14的表面16的速度降低，且湍流度也降低。速度梯度24显示水12的相对速度从边界层26的边缘向船体14的表面16减小。相对速度由每一箭头的长度表示。

一种减小表面摩擦拖曳力的途径是将气体引入边界层22内，其降低边界层22中的流体密度及粘度。气体相对低的密度及粘度产生较小的动量传递，且因此产生较小的表面摩擦拖曳力。此技术在所属技术领域中有时称作“空气润滑”。

已在气垫船中成功实施了空气润滑，其中所述船只位于大的空气垫顶部。然而，空气垫与具有显著吃水深度的船只一同使用是不实际的，因为水压力随着深度而升高，此导致所述空气垫很快上升到水的表面。需要巨大量的力来将空气垫向下推到数英寸的水中。已部分通过使用小气泡(即，微泡)替代较大的空气垫解决此问题。小气泡在水中比大空气垫上升得慢得多。

完全使用微泡已证明非常困难。现有技术的发明在成功使用微泡来减小表面摩擦时面临三个主要技术挑战：(1)以充足的体积速率注入微泡以填充边界层的显著部分，(2)防止所述微泡移出所述边界层，及(3)随着船只速度的改变调节微泡的体积流速。

多数现有技术空气润滑系统使用泵或加压空气来供应微泡的体积。此方法在数个方面中存在不足。首先，必须花费力来抽吸或加压空气。在任何情况下，抽吸或加压空气所花费的力完全抵消来自降低的表面摩擦拖曳力的力节省。其次，将所抽吸或经加压的空气注入到所述边界层中非常困难。典型的边界层在船只的船首附近仅几毫米厚，边界层是多数现有技术系统中注入空气的地方。假设所述微泡自身直径为至少一毫米且通常以相对于所述边界层的流动F的方向的角度注入，非常难以防止所述微泡穿过所述边界层而进入自由流动水域。再次，所述现有技术不提供与船只的速度成比例变化的微泡注入流速。此导致所述微泡注入速率仅在一个速度为理想。在所有其它速度，所述注入速率高于或低于所述理想速率。

其它现有技术空气润滑系统(例如，第6,125,781号美国专利中所说明的系统)旨在使用在船只船体的浸没表面上具有一个或一个以上出入口且在相对端处向空气开放的管来使进入所述船只船体的边界层的水流充满气体。在所述现有技术系统中，假设空气将经由所述出入口“吸入”且进入所述边界层中。此假设基于有缺陷假定。已确定这些类型的系统仅在具有非常浅的吃水深度、以高速度行进的船只上起作用。举例来说，空气直到具有3.973英寸的吃水深度的船只达到90.6英里/小时的速度才开始吸入到沿所述船只的船体的边界层中。此对于多数水面船只来说并不是可行的速度。

用于减小表面拖曳力的另一种现有技术系统在所属技术领域中称作通气桅座弦，其最初用于高性能水运工具中。通气桅座弦设计的实例说明于第5,452,676号美国专利中。虽然通气桅座弦看似提供某些性能及效率改善，但现有技术的通气桅座弦不能够将显著量的空气夹带到边界层中。此部分由于现有技术的通气桅座弦在所述桅座附近不产生空气与水的湍流混合。常规通气桅座弦仅减小船体的有效表面区域，使得水的摩擦作用作用于较小的区域。所述减小仅是船体的总表面区域的小部分；因此，通气桅座弦提供很少(如果有的话)表面摩擦减小。

相应地，需要能够将气泡夹带到各种各样的船只(包括那些具有大的吃水深度的船只及以合理得多的速度起作用的系统)的边界层中的高效空气润滑系统。

发明内容