一种在船舶船首处具有用于水流管理的流体动力学管道的船舶，所述管道包括位于所述船首各侧的具有翼型截面的一对侧向壁(2，3)，该对侧向壁(2，3)与具有翼型截面的水平取向或倾斜的壁部分(1)相连，所述管道可在位置(a)和位置(b)之间沿竖直方向移动，并通过所述管道内部水流与所述管道外部水流之间的差异化，配合具有纵向延伸的直线型或凸出型侧壁(102，103)的船首，有助于减小兴波阻力和摩擦阻力。侧向壁(2，3)具有处于离船首的侧壁(102，103)一恒定距离处的尾缘，而出于美观原因，它们可包括可移动的翼型部分覆盖物(2′，3′)或内部片状层压板(20′，30′)，所述翼型部分覆盖物或内部片状层压板在船舶航行期间向外凸出，并且在船舶静止停泊于港口目的地时向内缩回。
1.一种在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，所述管道在任何情况下均位于海面之下并包括在船首的前缘各侧延伸的水平壁部分(1)和连接在水平壁部分(1)的各端处的向上延伸的一对侧向壁(2，3)，船首各侧各有一个侧向壁，其中，包括所述水平壁部分(1)和所述侧向壁(2，3)的所述管道之内的水流与所述管道之外的水流存在差异，其特征在于：所述船首包括在船舶中心对称轴线(100)的各侧纵向延伸的直线型侧壁(102)或凸出型侧壁(103)，船首表面竖直向上延伸或者相对于竖直方向以一定外飘延伸；
所述管道能够在其水平壁部分(1)的上端位置(a)与下端位置(b)之间沿竖直方向移动，而且
所述侧向壁(2，3)构造成，在经过吃水线(200)的能够竖直移动的水平面所在的任意位置，所述侧向壁(2，3)的水平截面都遵循船首的几何形状和船首的外飘，其中，所述侧向壁(2，3)的每个水平截面的尾缘保持在离船首的侧壁一恒定相等的距离处，所述距离由对应于每条特定吃水线的从侧向壁(2，3)的尾缘到船首的侧壁所取的垂直线段限定。
2.根据上述权利要求1所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其还包括安装于船舶的船首的球鼻艏(110)，其特征在于：
该球鼻艏(110)向上延伸至吃水线(200)或吃水线附近，而且该球鼻艏(110)上的水流驻点(111)位于流经所述管道的水流之内，
该球鼻艏(110)的位于船舶中心对称轴线(100)各侧的侧壁在船舶的纵向方向上并非凹入型的，而是直线型的或凸出型的，而且所述侧向壁(2，3)构造在平行于球鼻艏(110)的侧壁的方向上，随后，构造在平行于船舶的船首的直线型侧壁(102)或凸出型侧壁(103)的方向上。
3.根据上述权利要求1或2所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，能够竖直移动的所述管道的水平壁部分(1)还包括当所述管道在其水平壁部分(1)的上端位置(a)与下端位置(b)之间竖直移动时确保管道的所述水平壁部分(1)在船首的侧壁上水密抵接的装置。
4.根据上述权利要求3所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，当所述管道在其水平壁部分(1)的上端位置(a)与下端位置(b)之间竖直移动时确保管道的所述水平壁部分(1)在船首的侧壁上水密抵接的所述装置是一对板(102′，103′)，该对板分别对应于具有在船舶的纵向方向上延伸的直线型侧壁(102)或凸出型侧壁(103)的船首，该对板(102′，103′)在船舶的纵向方向上覆盖管道的整个长度或部分长度并且适于与管道的水平壁部分(1)一起移动，从而确保水平壁部分水密配合在船首的侧壁上。
5.根据上述权利要求3所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，当所述管道在其水平壁部分(1)的上端位置(a)与下端位置(b)之间竖直移动时确保管道的所述水平壁部分(1)在船首的侧壁上水密抵接的所述装置是填充有空气或其他流体介质的腔或其他类型的实体装置(15)，所述腔或实体装置(15)安装于所述水平壁部分(1)之内，旨在抵接在船首的侧壁上，或者所述腔或实体装置安装于船首的侧壁上，旨在抵接在所述水平壁部分(1)的各端上，其中，所述腔填充有空气或其他流体介质，所述实体装置借助于液压或气动或机械或电气机构被推入抵接状态，以便在所述水平壁部分(1)在竖直方向上移动时确保所述水平壁部分(1)的各端水密配合在船首的侧壁上。
6.根据上述权利要求4或5所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，当所述管道在其水平壁部分(1)的上端位置(a)与下端位置(b)之间竖直移动时确保管道的所述水平壁部分(1)在船首的侧壁上水密抵接的所述装置是一对板(102′，103′)，该对板分别对应于具有在船舶的纵向方向上延伸的直线型侧壁(102)或凸出型侧壁(103)以及填充有空气或其他流体介质的腔或其他类型的实体装置(15)的船首，该对板(102′，103′)覆盖管道在船舶的纵向方向上的部分长度，而所述腔或实体装置(15)安装于管道在船舶的纵向方向上未被所述该对板(102′，103′)覆盖的长度的剩余部分中。
7.根据上述权利要求1所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，流体动力学的管道的所述水平壁部分(1)与船舶中心对称轴线(100)相关地取向：a.在垂直于船舶中心对称轴线(100)的水平面上取向，其中，经过水平壁部分(1)的前缘(1a)的假想线与船舶中心对称轴线(100)垂直或成一定的倾斜度，并且经过水平壁部分(1)的尾缘(1b)的假想线也与船舶中心对称轴线垂直或成一定的倾斜度，或者b.在船舶中心对称轴线(100)的各侧相对于吃水线(200)的水平面以角度(c)的一定倾斜度向上取向，或者在船舶中心对称轴线(100)的各侧相对于吃水线(200)的水平面以角度(d)的一定倾斜度向下取向，或者c.使经过水平壁部分的前缘(1a)的假想线在船舶中心对称轴线(100)的各侧形成第一角度，并使经过水平壁部分的尾缘(1b)的假想线在船舶中心对称轴线的各侧形成第二角度，其中，经过水平壁部分的前缘(1a)的假想线形成的第一角度等于或不等于经过水平壁部分的尾缘(1b)的假想线形成的第二角度，所述水平壁部分(1)同时在船舶中心对称轴线(100)的各侧相对于吃水线(200)的水平面以角度(c)向上延伸或以角度(d)向下延伸。
8.根据上述权利要求1所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，为了满足审美需求，在船舶静止停泊于港口时，管道的所述侧向壁(2，
3)构造成位于吃水线(200)附近，为此，所述侧向壁另外设置有具有适当尺寸和构造以分别覆盖侧向壁(2，3)的翼型部分(2′，3′)，所述翼型部分(2′，3′)构造成竖直滑动，使得在船舶静止停泊于港口时，所述侧向壁(2，3)能够位于吃水线(200)附近，并且使得在航行期间，所述侧向壁能够位于吃水线(200)足够上方，或者所述侧向壁另外设置有内部弯曲型或直线型片状层压板(20′，30′)，所述内部弯曲型或直线型片状层压板在船舶航行期间向外伸出并在侧向壁上方竖直延伸，以确保所述管道之内水流的差异化，而当船舶静止停泊于港口时，所述内部弯曲型或直线型片状层压板向内缩回，以确保符合审美需求。
9.根据上述权利要求1所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，为了满足审美需求，其还包括：
在船首的各侧沿着直线型侧壁(102)或凸出型侧壁(103)的狭槽(112，113)，其中，所述侧向壁(2，3)的部分或全部长度构造成缩回至所述狭槽(112，113)之内并能从所述狭槽中向外伸出，和/或用于使所述水平壁部分(1)缩回至船舶之内或者从船舶伸出的狭槽，
设置于从所述狭槽(112，113)向外伸出的所述侧向壁(2，3)的各端处的凸起或用于接收凸起的凹部，以及设置于所述狭槽(112，113)之外的延伸直至吃水线(200)的大致水平面的所述侧向壁(2，3)的对应自由端处或者设置于所述水平壁部分(1)的各端处的对应凸起或用于接收凸起的对应凹部，所述凸起或用于接收凸起的凹部适于与所述侧向壁(2，3)的从所述狭槽(112，113)伸出的配合对应凸起或用于接收凸起的对应凹部相连接或者直接与所述水平壁部分(1)的对应构造端部相连接。
10.根据上述权利要求1所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，其还包括平行于水平取向或倾斜的壁部分水平延伸且位于该水平取向或倾斜的壁部分下方的一个或多个额外壁部分，所述一个或多个额外壁部分具有与所述管道的水平取向或倾斜的壁部分的翼型截面相同或不同的翼型截面，其中，所述水平取向或倾斜的壁部分与位于下方的所述一个或多个额外壁部分之间的空隙由侧向壁(2，3)部分地或完全地覆盖或者不由侧向壁(2，3)覆盖。
11.根据上述权利要求1所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，所述水平取向或倾斜的壁部分和/或具有与所述管道的水平取向或倾斜的壁部分的翼型截面相同或不同的翼型截面的所述一个或多个额外壁部分设置有凸出肋条(16)，所述凸出肋条(16)沿着船舶的纵向方向延伸，所述凸出肋条(16)为水平壁部分(1)提供加强并用作用于使得片状层压板(17a，17b)通过水平壁部分(1)上设置的狭槽伸出的引导件，所述片状层压板在需要时分别从水平壁部分(1)的翼型截面的前缘和尾缘向外伸出，旨在为水流加速度向量提供进一步的控制以及在水平壁部分(1)的新采用的几何结构中适当设置升力系数CL，从而有助于优化所述管道之内的水流特性，其中，所述片状层压板(17a，17b)的缩回或伸出借助于船舶内设置的适当机构来实现。
12.根据上述权利要求1所述的在船舶的船首处具有用于水流管理的流体动力学的管道的船舶，其特征在于，所述水平或倾斜的壁部分和/或具有与所述管道的水平取向或倾斜的壁部分的翼型截面相同或不同的翼型截面的所述一个或多个额外壁部分在其各侧设置有片状金属板或叶片(11a，11b)，所述片状金属板或叶片(11a，11b)在所述水平取向或倾斜的壁部分和/或所述一个或多个额外壁部分的下方延伸并朝船舶的船首收敛，其中，位于所述水平取向或倾斜的壁部分和/或所述一个或多个额外壁部分各侧的所述片状金属板或叶片(11a，11b)有助于减小在船首因为海浪而竖直运动期间施加在水平取向或倾斜的壁部分和/或所述一个或多个额外壁部分上的应力并且有助于优化所述管道之内的水流。
带有偏置水流的流体动力学船首鳍装置的船舶
技术领域
[0001] 本发明涉及流体动力学技术领域，尤其是，本发明涉及一种船舶，该船舶设置有安装于船首的流体动力学管道，该流体动力学管道用于在航行过程中管理水流，该管道由两个侧向壁组成，船舶船首每侧各有一个侧向壁，这两个侧向壁与一水平取向或者相对于水平方向成一定倾斜度的底壁部分相连接，这样的管道在管道内部限定一位于船舶船首处的水流空间，相对于管道外部的水流而言，管道内部的水流具有不同的特性，从而减小兴波阻力和摩擦阻力，进而减少船舶推进所需的燃料消耗量。尤其是，本发明旨在提出流体动力学管道与船首构造和几何形状在功能上相互依存的设计的解决方案，以便可以在不同类型船舶的各种特定情况中获得管道内部水流和管道外部水流之间的有利差异化的最佳结果，从而获得最佳减小的推进阻力并降低燃料消耗量。
背景技术
[0002] 在造船领域，鉴于全球经济危机和环境问题的加剧，减少能源消耗正变得日益重要。
[0003] 决定用于船舶推进的燃料需求量的一个重要因素是船舶所遭受的兴波阻力和摩擦阻力。因而，人们一直努力减小船舶所遭受的兴波阻力和摩擦阻力并提高船舶穿越水实体的推进力。举例来说，在过去，船体的船首部分广泛采用球鼻型构造或球状构造来以减小兴波阻力以及尤其是来降低船首波的高度。
[0004] 然而，船舶的前表面，即在船舶推进的过程中与水接触的船首的表面区域是一个大区域，而且考虑到推进阻力与船舶速度的平方成正比，因此，需要相应地增加马力来克服这一阻力并提供船舶以所设计的额定速度前进所需的推进力。
[0005] WO-92/22456(Petromanolakis Em.)提出了一种安装于船舶船首的管道，该管道在船舶吃水线上方和下方延伸一定高度，这种管道实现了船舶推进过程中的兴波阻力的减小，因为船舶通过该管道冲撞水体，而非通过船舶的整个前表面冲撞水体。这种减小兴波阻力和能量消耗的管道在后续的专利申请中已得到优化，其中实现了流经该管道的水流相对于管道外部水流的差异化的增加。
[0006] 尤其是，WO-2013/011332(Petromanolakis Em.等人)披露了一种安装于船舶船首的流体动力学管道，该管道包括一水平壁部分和两个侧向壁部分，其中，流经该管道的水流获得与管道外部水流显著不同的特性，从而减小兴波阻力和摩擦阻力，并进而降低船舶推进通常所需的燃料量。该管道布置有对应于水平壁部分的零攻角的低压中心和位于侧向壁部分与水平壁部分的连接区域中的侧向壁部分的低压中心，所述对应于水平壁部分的零攻角的低压中心位于产生第一船首波的区域中，所述侧向壁部分的低压中心位于水平壁部分的低压中心与直至水平壁部分的前缘或水平壁部分的前缘略微前方之间的选定位置处。此外，为了克服先前技术的缺点和不足，提出了实现管道性能优化的船头流体动力学管道的结构设计参数。尤其是，提出了管道的水平壁部分的制造参数和侧向壁部分的制造参数的多种选择性组合，其中，对所述管道的决定升力系数CL和曳力系数CD的壁部分的几何形状参数进行考虑，旨在获得管道的水平壁部分和侧向壁部分两者的最佳的CL/CD比率，以及旨在实现与船舶的特定名义推进速度和船首的几何形状相对应的管道的水平壁的升力系数CL和侧向壁的升力系数CL的最佳比率。
[0007] 然而，可以看出，虽然本文上面提出的管道参数设计实现了显著改进，这些改进已通过在配置有流体动力学管道的不同类型的船舶(游艇、集装箱船、散货船和护卫舰)模型中所进行的测试得到了确认，但是，上述不同类型的船舶所获得的结果存在明显差异，这凸显了进一步进行管道的参数设计工作的必要性，其中，这一设计过程需要考虑每种特定船首的结构及几何形状的参数变化，还需要考虑船舶的可变载荷，因此，必须以保证船首-管道组合的最佳性能的方式对船首进行设计，从而获得减小船舶推进所需的马力并进而降低燃料消耗量的最佳最终结果。
[0008] 举例来说，虽然已经发现所述管道在船舶船首上的定位必然有助于实现经济上有利的航行，而且还有助于减小船首的竖直运动加速度从而实现更高的平均航行速度，但是，根据分析，在上述测试中所获得的结果存在差异化的原因之一是所提出管道和船舶的配合的差异，由于离开管道的水流撞击在船首和/或球鼻艏的两侧，这种撞击造成明显的损失并且造成管道的有利效果最小化。
[0009] 在已进行的不同测试中的管道性能连续性存在差异的另一个原因是船舶载荷条件变化。这造成船舶吃水(即船舶浸在水里的深度)存在差异，因而改变了管道的作用范围，这种问题在集装箱船中尤为明显，其中，在船舶未装载货物以及货船满载这两种极端情况下船舶吃水存在显著变化。
[0010] 而且，据观察，当船舶以其名义速度航行时，船舶球鼻艏可获得满意的性能，而在较低速度时，由于Fn的并发改变，船舶球鼻艏的性能将会下降，但是，通过设置本发明的管道，可确保在低于设计的名义速度(经济速度)的速度下以及任何Fn值下实现令人满意的性能。
发明内容
[0011] 因此，本发明的一个主要目的在于有效克服先前技术的上述缺点和不足，并结合船舶船首的结构和几何形状在功能上相互依存的参数以及船舶的变化载荷情况，提出将实现流体动力学管道性能优化的流体动力学管道的结构设计参数。
[0012] 因此，本发明的一个目的在于提供一种船舶船首的功能设计，该船首的功能设计能够与安装于船首的流体动力学水流管理管道相适应，其吃水线为直线型的或者凸出型的，而非凹入型的，并且其始终与船舶中心线成一定角度，以避免水流撞击船首的中空弯曲侧的凹曲部并滞留在其中，因为水流的这种撞击和滞留将不期望地导致船舶减速。因此，利用船首侧部的直线型或者凸出型(而非凹入型)构造，在管道出口实现了平稳的水流，并且与该水流对船首壁和/或球鼻艏的冲击有关的损失被最小化。
[0013] 尤其是在配有球鼻艏的船舶中，本文提出一种确保球鼻艏的有益效果和管道的有益效果相协调的设计，以便最大化航行性能和最小化燃料消耗量。尤其是，利用配有球鼻艏的船舶的特定应用，本发明的一个目的在于定位球鼻艏，使得球鼻艏的上部分不位于吃水线下太深的位置，而是接近载货吃水线，以便球鼻艏的驻点将位于流经本发明的管道的水流之内，其中，所提出的设计在流经所述管道的水流中有助于影响所有向上的兴波向量和一些向下的兴波向量，从而改善船舶侧部处的水流。
[0014] 本发明的另一个目的在于提出位于船舶船首且具有垂直运动能力的流体动力学水流管理管道，以便优化所述管道在船舶的各种变化吃水条件下的有益影响，其中，船舶的变化吃水条件取决于船舶的载荷情况以及消耗品的消耗。
[0015] 本发明的另一个目的在于提出上述位于船舶船首的可竖直移动的流体动力学水流管理管道，其优选设置有可确保所述管道与船舶船首的侧壁保持水密抵接的装置，从而保持所述管道之内的水流的特性不发生改变。尤其是，本发明的一个目的在于提出将所述管道安装于覆盖船舶船首的板上的实施例，此板在船舶的纵向方向上延伸，覆盖所述管道的水平壁部分的部分或全部长度，并与所述管道的水平壁和侧向壁一起移动，从而确保所述管道内的水密特性。
[0016] 本发明的另一个目的在于针对未配置上述覆盖船首侧壁的板的情况，提供一替代实施例，根据该替代实施例，通过利用适当的密封机构实现所述管道的可竖直移动的水平壁部分在船首侧壁上的水密抵接，所述密封机构为例如，举例来说，填充有空气或其他流体介质的腔或者由橡胶或其他材料制成的实体装置，这种腔或实体装置或者其他类型的水密抵接装置被推向船首的侧壁，它们安装于所述管道的水平壁部分的端部处或者安装于船首侧壁的预定的适当位置处并由液压或气动或机械或电气机构驱动，从而使之进入所述管道的可竖直移动的水平壁部分与船首侧壁的水密抵接状态。对于采用板覆盖位于所述管道的水平壁部分的端部处的部分长度的情况，可使用类似的用于水密抵接的密封机构，其中，这种密封机构安装于所述水平壁部分之内，用于为在由板覆盖的所述水平壁部分的长度之外延伸的所述水平壁部分的长度的剩余部分提供在船首侧壁上水密抵接的水密装置。
[0017] 本发明的另一个目的在于提供用于管理船舶船首处的水流的上述管道的水平壁部分，所述水平壁部分在其各侧设置有片状金属板或叶片，这种片状金属板或叶片在所述管道下方延伸并朝船舶船首收敛，其中，位于所述水平壁部分各侧的这些片状金属板或叶片有助于减小在船首由于海浪而竖直运动期间施加在所述水平壁部分上的应力。
[0018] 本发明的另一个目的在于提出与船舶船首有关的所述流体动力学管道的水平壁部分的替代配置，以便优化所述流体动力学管道的性能。
[0019] 尤其是，本发明的一个目的在于提出具有经过其水平壁部分的前缘的假想线和经过水平壁部分的尾缘的假想线的流体动力学管道，所述经过其水平壁部分的前缘的假想线在船舶对称轴线的各侧形成一角度(a)，所述经过水平壁部分的尾缘的假想线在船舶对称轴线(即船舶中心线)的各侧形成一角度(b)。
[0020] 本发明的另一个目的在于提出一实施例，其中，所述流体动力学管道的水平壁部分沿着与吃水线的水平面平行的方向或者相对于吃水线的水平面向上或向下成一定坡度的方向在船舶对称轴线的各侧延伸。
[0021] 本发明的另一个目的在于提出一种适当的与船舶船首相关并结合水平壁部分的上述位置的流体动力学管道的侧向壁的几何形状，旨在优化该管道的性能，尤其是，本发明的另一个目的在于提出具有如下侧向壁的流体动力学管道，所述侧向壁形成为使其水平截面将遵循船首的几何形状并且尤其是船首的外飘，侧向壁的每个水平截面的尾缘保持在离船首的侧壁一恒定相等的距离处，此距离由对应于每个特定的吃水线的取自侧向壁的尾缘的垂直线段限定。
[0022] 主要出于美观的原因，对于娱乐船舶(游艇等)而言，美观是尤为重要的设计参数，而且对于其他类型的船舶也是如此，因而，本发明的另一个目的在于确保如下这些条件，其中，为了不对船舶的美观造成不利影响，当船舶静止停泊于港口时，本发明的所述管道的侧向壁大体位于船舶的吃水线的高度处，并且为了实现这一效果，建议这些侧向壁的一部分覆盖有类似构造的翼型部分，或者这些侧向壁设置有适当形状的板伸出部，其中，当所述船舶离开港口开始航行时，上述翼型部分或板伸出部可通过沿着竖直方向滑动而移动，使得在任何情况下，所述侧向壁都可位于吃水线水平面的足够上方，以确保在所述管道内实现所需的差异化的水流状况。
[0023] 用于上述美观目的的本发明的另一个目的在于提出本发明的管道，该管道由选择性地制成可隐藏的所述侧向壁的某些部分或者整个所述侧向壁和/或选择性地制成可隐藏的所述水平壁部分的某些部分或者整个所述水平壁部分组成，其中，所述侧向壁和/或所述水平壁部分的隐藏部分通过适当的驱动机构缩回至船舶之内以及伸出船舶之外。尤其是，本发明的一个目的在于提出一种流体动力学管道的设计，该管道侧向壁的某些部分或者整个侧向壁沿着船首侧壁被包围在船舶之内，并且当需要这些部分或整个侧向壁进入工作状态时，它们适于向下移动，其中，它们“卡合”到所述水平壁部分的水平延伸的可伸缩部分的凹部或凸起之中，或者直接“卡合”到所述水平壁部分的凹部或凸起之中。
[0024] 本发明的另一个目的在于提供沿着平行于本发明的管道的水平取向或倾斜的壁部分的方向延伸且位于它们下方的一个或多个额外叶片，这些额外叶片具有与所述管道的水平取向或倾斜的壁部分相同或不同的翼型截面，其中，所述水平取向或倾斜的壁部分与下方的额外叶片之间设置的空间可由侧向叶片覆盖或不由侧向叶片覆盖，其中，所提出的一个或多个额外叶片的目的在于增加本发明的管道的流入水流的速度，并因此进一步加强所述管道内的水流特性与所述管道外部的水流特性之间的差异化。
[0025] 本发明的另一个目的在于提供一种布置有突起的管道的水平壁部分的构造，所述突起用于加强水平壁部分的轮廓，而且还起到用于使适当的片状层压板从水平叶片的狭槽中伸出的引导件的作用，当需要对水流的竖直加速度向量进行进一步控制而且当试图在由此形成的所述管道的水平壁部分的新几何结构中设置适当的升力系数CL时，这些片状层压板向其前缘的前面和/或后缘的后面延伸，以便优化所述管道内的水流特性。
[0026] 基于本发明中所提出的设计参数及其组合，提供了流体动力学管道的设计与安装所述流体动力学管道的船舶船首的设计在功能上相互依存的技术方案，从而实现所述管道内的水流特性与所述管道外部的水流特性之间的有利的最佳差异化，并从而实现船舶推进过程中兴波阻力和摩擦阻力的减小以及因而船舶推进所需的马力和燃料消耗量的降低。
[0027] 本发明的上述和其他目的、特征和优点将在下列的优选实施例的详细描述中显而易见。
[0028] 附图简述
[0029] 对于本领域技术人员而言，本发明通过参考附图进行了充分公开，其中，所述附图为说明性的而非限制性的。
[0030] 图1a示出了本发明管道的出口处的水流的示意图，由于水流撞击船首的凹入侧部，该水流遭受损失，图1b和1c示出了本发明管道的出口处的水流的示意图，根据本发明的优选实施例，该水流随后分别流过具有直线型或弯曲凸出型构造的船首侧部，因而所述管道的出口处的水流被正常化、变得平稳而且消除了水流损失。
[0031] 图2a示出了船舶船首的示意侧视图，其中，该船舶设置有球鼻艏；图2b示出了船舶船首的示意侧视图，其中，该船舶设置有球鼻艏和本发明的流体动力学管道。
[0032] 图3a示出了船舶船首的一半表面的侧视图，图3b示出了船舶船首的一半表面的正视图，图3c示出了配有球鼻艏的船舶的侧视图，其中，球鼻艏上附接有用于水流管理的流体动力学管道，该流体动力学管道以示意性透视图示出，该管道被布置为可自由竖直移动，旨在优化该管道在不同吃水(船舶浸在水里的深度)条件之下的有益效果。
[0033] 图3d示出了位于船舶船首处的用于水流管理的流体动力学管道，该管道具备竖直移动能力，其具有水平取向的壁，该壁设置有填充有流体介质的腔或设置有实体弹性元件，通过填充有流体介质的腔或实体弹性元件，实施所述管道在船舶船首各侧的水密安装。
[0034] 图4a和4b分别示出了设置有球鼻艏的船舶和设置有传统船首的船舶，它们均有安装于其上的用于水流管理的流体动力学管道，其中，该管道在其各侧设置有片状金属板或叶片，这种片状金属板或叶片在所述管道下方延伸并朝船舶船首收敛。
[0035] 图5示出了本发明的另一个实施例，其中，所述管道的水平壁部分垂直于船舶对称轴线延伸，并且可替代地，水平壁部分延伸使得经过其水平壁部分的前缘的假想线在船舶对称轴线的各侧形成一角度(a)，以及使得经过其水平壁部分的尾缘的假想线在船舶对称轴线的各侧形成一角度(b)。
[0036] 图6a示出了本发明的一个实施例，其中，所述流体动力学管道的水平壁部分在船舶对称轴线的各侧相对于吃水线的水平面以一定的向上倾斜度延伸，而图6b示出了本发明的另一个实施例，其中，所述流体动力学管道的水平壁部分在船舶对称轴线的各侧相对于吃水线的水平面以一定的向下倾斜度延伸。
[0037] 图7示出了根据本发明优选实施例的流体动力学管道装置，其中，该管道的侧向壁大体设置在这样的位置，即对于任何吃水线无论怎样，这些侧向壁的尾缘都保持在一恒定相等的距离处，该距离沿着对应于所适用的吃水线的从尾缘到船舶所取的垂直线段测量。
[0038] 图8a示出了设置有本发明的管道的船舶的侧视图，其中，侧向壁可竖直滑动，以便当船舶静止停泊于港口时，所述侧向壁位于吃水线附近、上方或下方，图8b示出了设置有覆盖翼型部分的侧向壁的横截面图。
[0039] 图8c示出了本发明的一实施例，其中，侧向壁设置有内部弯曲型或直线型片状层压板，在船舶航行期间，该片状层压板向外伸出并在侧向壁上方竖直延伸，以确保所述管道之内水流的差异化。
[0040] 图9a和9b分别示出了传统船首和配备有球鼻艏的船首的船首正视图，其中，本发明的管道的侧向壁和/或水平壁的部分或全部长度均可移动并缩回至船舶的适当狭槽之内。
[0041] 图10a示出了本发明的管道的正视图，该管道带有位于水平壁部分下方且与水平壁部分平行的额外叶片，图10b示出了同一装置，其中，水平壁部分和额外叶片之间的间隙被侧向叶片覆盖。
[0042] 图11示出了本发明的管道的一实施例，其中，水平壁部分设置有凸出肋条，所述凸出肋条包括狭槽，片状层压板可以通过该狭槽向外伸出，有助于控制船舶在竖直方向上的位移。
[0043] 优选实施例详细说明
[0044] 下文将参考附图阐述本发明说明性的优选实施例。
[0045] 图1a示出了本发明管道在船舶中的应用的说明性示例，该船舶的船首形成有在船舶对称轴线100的各侧延伸的侧壁101，其中，由于这些侧壁101的凹入型构造，当如向量(f)所示离开管道的水流撞击在船首的上述中空侧壁101上时，造成损失，而且管道的有益作用被削弱。当来自管道的输出水流撞击在球鼻艏的向内弯曲的侧壁上时会发生类似的结果。图1b和1c示出了这一问题的解决方案，其中，所述船首分别设置有直线型壁102或凸出型壁
103，位于本发明的管道的侧向壁2的出口处的如向量(f)所示的水流如图所示与船首的直线型侧壁102(图1b)或凸出型侧壁103(图1c)平行地流出，不会撞击它们。因此，很明显，本发明的管道与具有构造有直线型侧壁102或凸出型侧壁103的船首的船舶可确保有利的配合，而不是与凹入型侧壁101确保有利的配合。
[0046] 在船体的前部设置球鼻艏已经得到广泛应用，而且已经证明这有助于减小兴波阻力，并且尤其是对于特定的吃水(浸没深度)和设计航速而言有助于减小船首波的高度。如图2a所示，在任何情况下，在具有直线型侧壁102或凸出型侧壁103的船首的前部的球鼻艏110均位于吃水线200以下。该球鼻艏110上示出了驻点111，该驻点111为水流撞击的零速点。
[0047] 为了设计具有球鼻艏和本发明的流体动力学管道的船舶，由此提出确保将实现球鼻艏的有益效果和流体动力学管道的有益效果有效协调的条件，从而最大化航行性能和最小化燃料消耗量。如图2b所示，其中示出了本发明之管道，其应用于配备球鼻艏110的船舶的船首上，该球鼻艏的位置设计成，其顶部并非位于载货吃水线(即吃水线200)下方较远处，而是接近该载货吃水线，并且，所述球鼻艏的驻点111将位于流经本发明之管道的水流之内，该管道包括水平壁1和侧向壁2、3，这些侧向壁2和3构造在与球鼻艏110的侧壁平行的方向上，随后构造在与船首的直线型侧壁102或凸出型侧壁103平行的方向上。所提出的设计确保所需的条件，让流经所述管道的水流影响所有具有向上方向的兴波向量和一些具有向下方向的兴波向量，从而改善沿着船首侧壁的水流。
[0048] 正如上文介绍部分所提到的，本发明之管道的变化性能的另一个原因是船舶的可变载荷情况会改变船舶浸入水中的深度，并从而改变管道的有效范围，其中，这种问题在集装箱船中以及在下述其他类型的商船中尤为明显：所述商船在未装货物、中等装载量和满载这几种船舶的极端情况之间浸入水中的深度存在显著差异。
[0049] 通过流体动力学管道可解决上述问题，该流体动力学管道具有在竖直方向移动的能力，使得当船舶在水中因为其变化载荷以及进一步船舶消耗品的消耗变化而处于不同的吃水情况下时，该流体动力学管可提供最大的有益性能。优选利用适当的装置来实现位于船舶船首处的适于进行水流管理的流体动力学管道的移动，该装置确保流体动力学管道在船首的侧壁上的水密安装，以便将所述管道之内的水流的速度向量保持为恒定值。
[0050] 具体而言，如附图3a-3d中所示，在具有典型的传统船首的船舶中或者在具有球鼻艏(包括在船舶对称轴线100的各侧纵向延伸的直线型侧壁102或凸出型侧壁103)的船舶中，其中，船首表面竖直向上延伸或者相对于竖直方向成一定坡度(外飘)延伸，本发明的管道布置成具备在所述管道的水平壁部分1的上端位置(a)和下端位置(b)之间竖直移动的能力。
[0051] 当管道在水平壁部分1的上述上端位置(a)和下端位置(b)之间的竖直移动时，可采用将确保所述管道的水平壁1在船首的侧壁上水密抵接的装置。
[0052] 根据本发明的第一优选实施例，如图3b所示，上述确保所述管道的水平壁1在船首的侧壁上水密抵接的装置是覆盖船舶船首的两个侧壁的板，所述板在图中分别以参考编号102′、103′标示，分别对应于具有在船舶的纵向方向上延伸并且相对于竖直方向没有坡度或者相对于竖直方向成一定外飘的直线型侧壁102或凸出型侧壁103的船首，其中，这些板
102′、103′在船舶的纵向方向上覆盖所述管道的全部或部分长度，并且与所述管道的水平壁部分1以及侧向壁2、3一起移动，以无论所述管道在竖直方向处于什么位置，都确保所述管道在船首的侧壁上的水密配合，以便适应变化的吃水(即船舶浸在水里的深度)情况。
[0053] 根据本发明的第二优选实施例，如图3d所示，上述确保所述管道的水平壁部分1在船首的侧壁上水密抵接的装置不是覆盖船首的侧壁的上述板，而是具有填充有空气或其他流体介质的腔的水平壁部分1，以确保水平壁部分1在竖直方向移动时其各端与船首的侧壁保持水密配合。可替代地，水平壁部分1的各端可设置其他类型的实体装置15或其他密封机构，所述实体装置15或其他密封机构安装于水平壁部分1之内并由液压或气动或机械或电气机构驱动，旨在使水平壁部分1的各端在任意竖直位置(所述流体动力学管道的可竖直移动的水平壁部分1所在的竖直位置)都处于在船舶船首的侧壁上抵接的状态。
[0054] 因此，应当注意到，如果采用上述第一实施例的板102′、103′来确保所述管道在船首的侧壁上的水密配合并且这些板并未覆盖所述水平壁部分1的端部的整个长度、而是覆盖所述水平壁部分1的端部的部分长度，则也可采用其他水密配合机构，例如，安装于水平壁部分1之内的上述实体装置15或其他密封机构，以便为在由板102′、103′覆盖的所述水平壁部分1的长度之外延伸的所述水平壁部分1的长度的剩余部分提供在船首的侧壁上的水密配合。
[0055] 另外，还应注意到，上文提到的用于将水平壁部分1水密配合到船首上的装置，即填充有空气或其他流体介质的腔或实体装置15或其他机构可以不安装于水平壁部分1的各端处以抵接到船首的侧壁上，而是安装于船首的侧壁处并向水平壁部分1延伸，旨在抵接到水平壁部分1的各端上，同样，这些机构由液压或气动或机械或电气机构驱动。
[0056] 在下文中，阐述了本发明的流体动力学管道安装于传统船首(图4b)和配有球鼻艏(图4a)的船首之上的示意性布置，其中，所述管道的水平壁部分1在其各侧设置有片状金属板或叶片11a、11b，这些片状金属板或叶片在所述管道的下方延伸并朝船舶船首收敛。在所述水平壁部分1的各侧设置的这些片状金属板或叶片11a、11b有助于减小在船首因为海浪而竖直运动期间施加在水平壁部分1上的应力，另外这些片状金属板或叶片11a、11b提供差异化的水流，有助于优化所述管道之内的水流，即由水平壁部分1和侧向壁2、3限定的空间之内的水流。
[0057] 本发明还寻求利用与船舶船首相关的管道的水平壁部分的替代配置来提供所述管道的适当定位，以便优化管道的性能。
[0058] 因此，虽然在本发明的第一优选实施例中，管道的水平壁部分1垂直于船舶对称轴线延伸，即，经过水平壁部分的前缘1a的假想线垂直于船舶对称轴线100，而经过水平壁部分的尾缘1b的假想线也垂直于船舶对称轴线，但是，可替代地，如图5所示，可以让水平壁部分1始终沿着纵向设置的同一水平面延伸，以致在船舶对称轴线100的各侧形成一定的角度，其中，经过水平壁部分的前缘1a′的假想线在船舶对称轴线的各侧形成角度(a)，而经过水平壁部分的尾缘1b′的假想线在船舶对称轴线的各侧形成角度(b)，其中角度(a)可以等于角度(b)或者不等于角度(b)。
[0059] 根据本发明的另一个实施例，本发明的流体动力学管道的水平壁部分在船舶对称轴线100的各侧以一定的倾斜度延伸。特别地，如图6a所示，根据本发明的一个实施例，流体动力学管道的水平壁部分1″在船舶对称轴线100的各侧相对于吃水线200的水平面以角度(c)的一定向上倾斜度延伸，以及如图6b所示，根据本发明的另一个实施例，流体动力学管道的水平壁部分在船舶中心线100的各侧相对于吃水线200的水平面以角度(d)的一定向下倾斜度延伸。
[0060] 另外，本发明之管道的水平壁部分还可以在船舶对称轴线100的各侧延伸形成如图5所示的角度，其经过水平壁部分的前缘的假想线与船舶对称轴线形成角度(a)的一定倾斜度，经过水平壁部分的尾缘的假想线与船舶对称轴线形成角度(b)的一定倾斜度，其中，角度(a)或角度(b)中的每个均可在10o-170o范围内变化，而且其中，角度(b)可以等于或不等于角度(a)，而同时，管道的水平壁部分在船舶对称轴线100的各侧相对于吃水线200的水平面以一定的向上倾斜度(图6a)或以一定的向下倾斜度(图6b)延伸。
[0061] 本发明还构思了与船舶船首有关并结合水平壁部分的上述位置的流体动力学管道的侧向壁的适当几何结构，旨在优化管道的性能。特别地，如图7所示，本发明的流体动力学管道设置有侧向壁部分2、3，侧向壁部分2、3构造成，在经过吃水线200的可竖直移动的水平面所在的任意位置，侧向壁部分2、3的水平截面都遵循船首的几何形状，并且尤其是遵循船首的外飘(flare)，其中侧向壁的每个水平截面的尾缘保持在离所述船首的侧壁一恒定相等的距离处，该距离由对应于每条特定吃水线的取自侧向壁的尾缘的垂直线段限定。尤其是，在图7中可以看出，对于两条不同的吃水线200a和200b，尾缘(2b，3b)的相应距离(AA′)和(BB′)沿着船首各侧的垂直线段测量，该距离保持恒定，即，两个直线段(AA′)和(BB′)长度相等。
[0062] 根据本发明的另一个优选实施例，其在船舶中有特殊应用，其中，美观是一个尤为重要的设计参数，例如，对于娱乐船舶(游艇等)而言即是如此，对此，本发明提出在船舶静止停泊于港口(图8a)时，本发明的管道的侧向壁2、3可以竖直移动，以便位于吃水线200附近、上方或下方。根据如图8b所示的本发明的一个实施例，可通过如下方案实现这一效果：利用具有适当尺寸和结构的翼型部分2′、3′分别覆盖侧向壁2、3，这些翼型部分2′、3′可竖直滑动，使得在船舶静止停泊于港口时，本发明的管道的侧向壁2、3可位于吃水线200附近、上方或下方。
[0063] 根据如图8c所示的本发明的替换优选实施例，侧向壁2、3分别设置有内部弯曲型或直线型片状层压板20′、30′，它们在船舶航行期间向外伸出并在侧向壁上方竖直延伸，以确保管道之内水流的差异化，而当船舶静止停泊于港口时，它们向内缩回，以确保符合审美需求。
[0064] 为了满足上述审美需求，本发明的另一个目的在于提出本发明之管道的设计，其中，所述侧向壁和/或所述水平壁部分的某些部分或者整体设计为可隐藏，其中，所述侧向壁和/或所述水平壁部分的可隐藏部分或整体构造为缩回至船舶之内，并在需要时通过适当的机构驱动使其伸出船舶之外，从而使设置于船舶船首的流体动力学管道处于适当位置，以便在不同的海拔高度和船舶的可变吃水条件下实现水流管理。
[0065] 特别地，如图9a所示，其示出了在船舶配置有传统船首构造的情况下管道的侧向壁和/或水平壁部分的整体或部分的移动能力的正视图，其中，船首各侧的侧壁包括狭槽112、113，在需要时，本发明之管道的侧向壁2、3分别缩回狭槽内或者从狭槽中伸出。当侧向壁2、3从船舶中向外伸出时，其分别包括伸出部22、33，当所述侧向壁2、3处于工作位置时，伸出部22、33被期望地构造成位于吃水线200的水平面附近并与管道的已有固定安装的侧向壁2、3连接。设置相应的狭槽，用于使水平壁部分缩回船舶之内或者使水平壁部分1从船舶伸出，其中，该狭槽在图9a中并未示出。
[0066] 图9b示出了船首的正视图，其中，在船舶具有设置球鼻艏110的船首的情况下，管道的侧向壁和/或水平壁部分的整体或者某些部分具备移动的能力，其中，侧向壁2、3分别延伸到伸出部2′、3′之中，这些伸出部通过额外的水平元件10′相连。伸出部2′、3′和额外的水平元件10′在包括侧向壁2、3和水平壁部分1的管道下方固定地附接到球鼻艏110的表面，期望地，它们可一个一个地单独或作为一个整体一起缩回或伸出。因此，应当注意到，水平壁10′可设置用于使水平壁水密配合到球鼻艏110的侧壁上的装置。
[0067] 在具有传统船首或球鼻艏的船舶中，管道的侧向壁的缩回至船舶之内的部分在从船舶的适当狭缝伸出时，可能会碰到侧向壁的固定安装的部分，所述侧向壁的固定安装的部分与所述水平壁部分相连，随后大致在对应于未装载船舶情况的吃水线水平面处延伸。侧向壁2、3甚至还可以在船首的侧壁处被完全包围在船舶之内，需要时，它们可以下降与水平壁部分1接合，水平壁部分1的各端配有适当的凹部或凸起，从而允许下降的侧向壁2、3“卡配合”到水平壁部分的凹部或凸起之中。
[0068] 根据本发明的另一个优选实施例，本发明的另一个目的在于提供平行于本发明管道的水平取向或倾斜的壁部分1水平延伸且位于该壁部分下方的一个或多个额外壁部分。这些一个或多个额外壁部分具有与管道的水平或倾斜的壁部分的翼型截面相同或不同的翼型截面，其中，所述水平或倾斜的壁部分1与下方的一个或多个额外壁部分之间的空隙由侧向壁覆盖或不由侧向壁覆盖，其中，所提出的一个或多个额外壁部分的目的在于增加本发明管道中的入流速度，从而增强管道内水流特性与周围水流的差异性。上述实施例的示例性说明如图10a和图10b所示，其中，特别地，图10a示出了本发明的管道的正视图，该管道带有平行于上方的水平壁部分1延伸的额外壁部分1，图10b示出了同一装置，其中，两个水平壁部分1之间的间隙被具有与管道的侧向壁2、3相同或不同的构造的侧向壁部分覆盖。
[0069] 图11示出了本发明的又一实施例，其中，水平壁部分1设置有凸出肋条16，该凸出肋条16一方面为水平壁部分1提供加强，另一方面用作用于使片状层压板17a、17b通过水平壁部分1上设置的狭槽伸出的引导件，在需要时，所述片状层压板17a、17b分别从水平壁部分1的翼型截面的前缘和尾缘向外伸出，旨在为水流加速度向量提供进一步控制以及旨在适当设置水平壁部分的新采用的几何结构中的升力系数CL，从而有助于优化管道之内的水流特性，其中，片状层压板17a、17b的缩回或伸出可由本发明船舶中设置的适当机构来实现。
