本发明涉及船舶减阻技术领域，尤其是一种船舶气层减阻的涡控气穴装置。其包括气穴体，所述气穴体下端面设有气穴，所述气穴体前部竖直内壁上设有圆弧形的前稳涡端面，所述前稳涡端面和气穴体顶部内壁面之间形成前缘凹腔；所述气穴体前部设有前导流端面，所述前导流端面后端固设有多个大涡破碎器，多个大涡破碎器一部分板体悬空设置在气穴开口处。本发明在前导流端面上平行设置大涡破碎器，大涡破碎器能够削弱气穴开口上方自由剪切层与气穴内部涡系的相互作用，使气层稳定存在于气穴底部。
1.一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，包括气穴体(1)，所述气穴体(1)下端面设有气穴(11)，其特征在于：所述气穴体(1)左右两侧分别设有集气板(6)，集气板(6)的高度尺寸与气穴(11)深度尺寸相同；所述气穴体(1)前部竖直内壁上设有圆弧形的前稳涡端面(7)，前稳涡端面(7)位于气穴(11)前部，所述前稳涡端面(7)和气穴体(1)下端面之间形成前缘凹腔；所述气穴体(1)前部设有前导流端面(2)，所述前导流端面(2)后端固设有多个大涡破碎器(8)，所述多个大涡破碎器(8)沿着气穴体(1)的宽度方向均匀分布且与前导流端面(2)相切，多个大涡破碎器(8)长度方向与气穴(11)长度方向平行，多个大涡破碎器(8)一部分板体悬空设置在气穴(11)开口处；所述气穴体(1)前部分别设有上下贯通的第一通气孔(4)和第二通气孔(5)，第一通气孔(4)一端开口位于气穴体(1)上表面，另一端开口与前缘凹腔水平连通，第二通气孔(5)竖直设置，第二通气孔(5)一端开口位于气穴体(1)上表面，另一端开口与气穴(11)顶端面连通；所述气穴体(1)后部竖直内壁上设有圆弧形的后稳涡端面(9)，后稳涡端面(9)位于气穴(11)后部，所述后稳涡端面(9)和气穴体(1)下端面之间形成后缘凹腔；所述气穴体(1)后部设有后去流端面(3)，所述后稳涡端面(9)和后去流端面(3)之间设有流线型尾端面(10)，流线型尾端面(10)与后去流端面(3)平顺连接。
2.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述气穴(11)为非等深气穴，气穴(11)顶端面到底端面的距离从气穴(11)前部向气穴(11)后部由小变大，由D1增加至D2。
3.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述前导流端面(2)包括圆弧形的圆弧导流段(201)和水平设置的平直导流段(202)，圆弧导流段(201)沿着气穴体(1)前部上端面一直延伸到气穴体(1)前部下端面，平直导流段(202)一端平顺连接圆弧导流段(201)，另一端一直延伸到前稳涡端面(7)最下端。
4.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述多个大涡破碎器(8)为长方形薄板结构，大涡破碎器(8)的悬空板体长度占大涡破碎器(8)整体长度的1/3。
5.如权利要求4所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述大涡破碎器(8)的迎流端为尖锐结构。
6.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述第一通气孔(4)的横截面形状为圆形或椭圆形或矩形。
7.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述第二通气孔(5)的横截面形状为圆形或椭圆形或矩形。
8.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述后缘凹腔为半圆形结构，后缘凹腔与气穴(11)顶部端面平顺连接。
9.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述流线型尾端面(10)包括圆弧形的圆弧尾段(1001)和水平设置的平直尾段(1002)，圆弧尾段(1001)一端延伸到后稳涡端面(9)下端部，另一端延伸到平直尾段(1002)一端，平直尾段(1002)另一端延伸到后去流端面(3)下端部。
10.如权利要求1所述的一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，其特征在于：所述后去流端面(3)为斜面。
一种船舶气层减阻的涡控气穴装置
技术领域
[0001] 本发明涉及船舶减阻技术领域，尤其是一种船舶气层减阻的涡控气穴装置。
背景技术
[0002] 船体表面气体润滑减阻技术，是通过气体减阻装置，向船底喷入适量气体，在船舶底部形成并保持薄气层，使船底与水有效分离，减小船底湿表面积，显著降低船舶阻力的一项节能技术。
[0003] 目前，因气穴内部涡系会干扰船舶底部气层，使得船舶底部气层难以长时间维持，导致船舶底部气层丧失减阻能力，使这项技术在应用过程中无法达到预期效果。
发明内容
[0004] 本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的船舶气层减阻的涡控气穴装置，通过气穴前后缘流线型结构和气穴前缘设置的大涡破碎器，削弱气穴上方自由剪切湍流与气穴内部涡系相互作用，减小气穴内部涡系的非定常性，使气穴底部形成一薄层气层并保持长时间稳定覆盖在气穴底部，在船体表面以气层代替水，减小船体湿表面积，减小船舶航行时在船体表面形成的摩擦阻力，减少能源消耗，降低碳、氮等有害物质排放。
[0005] 本发明所采用的技术方案如下：
[0006] 一种船舶气层减阻的涡控气穴装置，包括气穴体，所述气穴体下端面设有气穴，所述气穴体左右两侧分别设有集气板，集气板的高度尺寸与气穴深度尺寸相同；所述气穴体前部竖直内壁上设有圆弧形的前稳涡端面，前稳涡端面位于气穴前部，所述前稳涡端面和气穴体顶部内壁面之间形成前缘凹腔；所述气穴体前部设有前导流端面，所述前导流端面后端固设有多个大涡破碎器，所述多个大涡破碎器沿着气穴体的宽度方向均匀分布且与前导流端面垂直设置，多个大涡破碎器长度方向与气穴长度方向平行，多个大涡破碎器一部分板体悬空设置在气穴开口处；所述气穴体前部分别设有上下贯通的第一通气孔和第二通气孔，第一通气孔一端开口位于气穴体上表面，另一端开口与前缘凹腔水平连通，第二通气孔竖直设置，第二通气孔一端开口位于气穴体上表面，另一端开口与气穴顶端面连通；所述气穴体后部竖直内壁上设有圆弧形的后稳涡端面，后稳涡端面位于气穴后部，所述后稳涡端面和气穴体顶部内壁面之间形成后缘凹腔；所述气穴体后部设有后去流端面，所述后稳涡端面和后去流端面之间设有流线型尾端面，流线型尾端面与后去流端面平顺连接。
[0007] 进一步的，气穴为非等深气穴，气穴顶端面到底端面的距离从气穴前部向气穴后部由小变大，由D1增加至D2。
[0008] 进一步的，前导流端面包括圆弧形的圆弧导流段和水平设置的平直导流段，圆弧导流段沿着气穴体前部上端面一直延伸到气穴体前部下端面，平直导流段一端平顺连接圆弧导流段，另一端一直延伸到前稳涡端面最下端。
[0009] 进一步的，多个大涡破碎器为长方形薄板结构，大涡破碎器的悬空板体长度占大涡破碎器整体长度的1/3。
[0010] 进一步的，大涡破碎器的迎流端为尖锐结构。
[0011] 进一步的，第一通气孔的横截面形状为圆形或椭圆形或矩形。
[0012] 进一步的，第二通气孔的横截面形状为圆形或椭圆形或矩形。
[0013] 进一步的，后缘凹腔为半圆形结构，后缘凹腔与气穴顶部端面平顺连接。
[0014] 进一步的，流线型尾端面包括圆弧形的圆弧尾段和水平设置的平直尾段，圆弧尾段一端延伸到后稳涡端面下端部，另一端延伸到平直尾段一端，平直尾段另一端延伸到后去流端面下端部。
[0015] 进一步的，后去流端面为斜面。
[0016] 本发明的有益效果如下：
[0017] 本发明结构紧凑、合理，操作方便，在前导流端面上平行设置大涡破碎器，大涡破碎器能够削弱气穴开口上方自由剪切层与气穴内部涡系的相互作用，使气层稳定存在于气穴底部；在气穴主体的上游和下游，分别布置前导流端面和尾去流端面，便于本发明与船体底板无缝安装，且与船体流线型贴合；本发明的气穴为非等深气穴，非等深气穴为自由剪切湍流和涡系在气穴深度方向尺度的增加留出空间，避免气穴内部涡系发展至气穴底部而破坏气层；结合气穴体前缘、后缘的流线型结构及大涡破碎器，削弱气穴上方自由剪切湍流与气穴内部涡系相互作用，减小气穴内部涡系的非定常性，使气穴底部形成一薄层气层并保持长时间稳定覆盖在气穴底部，在船体表面以气层代替水，减小船体湿表面积，实现减小船舶航行时在船体表面形成的摩擦阻力，减少能源消耗，降低碳、氮等有害物质排放。
附图说明
[0018] 图1为本发明的俯视图。
[0019] 图2为图1中A-A剖视图。
[0020] 其中：1、气穴体；2、前导流端面；201、圆弧导流段；202、平直导流段；3、后去流端面；4、第一通气孔；5、第二通气孔；6、集气板；7、前稳涡端面；8、大涡破碎器；9、后稳涡端面；10、流线型尾端面；1001、圆弧尾段；1002、平直尾段；11、气穴。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
[0022] 如图1和2所示，本发明主要包括气穴体1，气穴体1下端面设有能够形成减阻气层的气穴11。气穴体1左右两侧分别设有集气板6，集气板6的高度尺寸与气穴11深度尺寸相同。
[0023] 如图2所示，气穴11为非等深气穴，气穴11顶端面到底端面的距离从气穴11前部向气穴11后部由小变大，由D1增加至D2，非等深气穴斜率满足如下公式关系：
[0024]
[0025] 其中，V为船航行速度，单位为m/s；v为海水或淡水的动力学粘性系数，m2/s；δ为湍流剪切层厚度，单位为m； 表示湍流剪切层厚度沿流向x方向的增长率，为了避免因气穴上方湍流剪切层厚度增长以及气穴内涡系深度方向尺度增长，而使气穴内部涡系增长至气穴底部，破坏气穴底部气层，故非等深气穴深度增长率k应不小于两倍的湍流剪切层厚度增长率，k≥0.062(对应气穴底部与流向的夹角θ≥3.56°)。同时，为了避免气穴深度急剧增加而导致在气穴底部产生流动分离，气穴11深度增加不宜过快，气穴11底部与流向的夹角θ≤10°，对应非等深气穴深度增长率θ≤10°。因此，为使气穴底部气层不受涡系运动的影响而破碎，提出非等深气穴，且气穴深度沿流向增长率一般满足0.062≤k≤0.18，相应的非等深气穴底部与流向的夹角满足3.56°≤θ≤10°。
[0026] 如图2所示，气穴体1前部竖直内壁上设有圆弧形的前稳涡端面7，前稳涡端面7位于气穴11前部。前稳涡端面7和气穴体1顶部内壁面之间形成前缘凹腔，前缘凹腔内能够形成稳定的涡系。
[0027] 如图2所示，气穴体1前部设有前导流端面2，前导流端面2包括圆弧形的圆弧导流段201和水平设置的平直导流段202，圆弧导流段201沿着气穴体1前部上端面一直延伸到气穴体1前部下端面，平直导流段202一端平顺连接圆弧导流段201，另一端一直延伸到前稳涡端面7最下端。
[0028] 在工作时，气穴体1前部的水流流经气穴体11的前导流端面2并形成固壁湍流边界层，湍流边界层在气穴11前缘脱离壁面，进入气穴11上方，同时产生横向大尺度涡，在大涡破碎器8作用下，大尺度涡强度得以削弱，向下游发展形成自由剪切湍流，进而削弱气穴11开口上方自由剪切湍流与气穴11前缘凹腔内部涡系的相互作用，使气层稳定存在气穴底部。
[0029] 如图2所示，气穴体1的前导流端面2后端固设有多个大涡破碎器8，多个大涡破碎器8沿着气穴体1的宽度方向均匀分布且与前导流端面2垂直设置，多个大涡破碎器8长度方向与气穴11长度方向平行，相邻两个大涡破碎器8的间距尺寸与大涡破碎器8的长度尺寸相等。
[0030] 如图2所示，大涡破碎器8为长方形薄板结构，大涡破碎器8一部分板体悬空设置在气穴11开口处，在一个可选的实施例中，大涡破碎器8的悬空板体长度占大涡破碎器8整体长度的1/3，大涡破碎器8能够有效切断刚从气穴11前缘脱落的大尺度涡系。大涡破碎器8的迎流端为尖锐结构，能够避免水流在大涡破碎器8前端流动产生分离。
[0031] 在使用时，大涡破碎器8在气穴11宽度方向切断大尺度涡，使大尺度涡破碎成小尺度、低强度涡，使其能量减小、非定常性降低，随着向下游发展形成自由剪切湍流，进而削弱气穴11开口上方自由剪切湍流与气穴11内部涡系的相互作用，使气层稳定存在于气穴11底部。因此，气穴前缘的大涡破碎器8起到了对气穴内外流动整流、消涡的作用，使气层稳定存在于气穴11底部。
[0032] 如图2所示，气穴体1前部分别设有上下贯通的第一通气孔4和第二通气孔5，第一通气孔4一端开口位于气穴体1上表面，另一端开口与前缘凹腔水平连通，第一通气孔4的横截面形状为圆形或椭圆形或矩形。第二通气孔5竖直设置，第二通气孔5一端开口位于气穴体1上表面，另一端开口与气穴11顶端面连通，第二通气孔5的横截面形状为圆形或椭圆形或矩形。在使用时，船舶外侧布置的气源舱中的气体通过第一通气孔4和第二通气孔5进入气穴11中，并在气穴11内形成气层。
[0033] 如图2所示，气穴体1后部竖直内壁上设有圆弧形的后稳涡端面9，后稳涡端面9位于气穴11后部。后稳涡端面9和气穴体1顶部内壁面之间形成后缘凹腔。在使用时，后稳涡端面9内能够形成稳定的涡系。
[0034] 在一个可选的实施例中，后缘凹腔为半圆形结构，后缘凹腔直径2r为气穴11后缘深度D2的75％～80％，后缘凹腔与气穴11顶部端面平顺连接。流线型尾端面10的高度d为气穴11后缘深度D2的20％～25％，长度l2一般不小于8d，流线型尾端面10与气穴11的后去流端面3平顺连接。
[0035] 如图2所示，气穴体1后部设有后去流端面3，后去流端面3为斜面。后稳涡端面9和后去流端面3之间设有流线型尾端面10。流线型尾端面10包括圆弧形的圆弧尾段1001和水平设置的平直尾段1002，圆弧尾段1001一端延伸到后稳涡端面9下端部，另一端延伸到平直尾段1002一端，平直尾段1002另一端延伸到后去流端面3下端部。在使用时，气穴开口上方的自由剪切湍流在气穴后缘分成两部分，一部分进入后缘凹腔形成稳定的涡，另一部分进入气穴的尾流，流经流线型尾端面到达船底板，避免了自由剪切湍流在气穴后缘“大部分进入气穴”、“大部分逃逸进入尾流”、“约一半进入气穴另一半进入尾流”这三种模态间歇出现，避免涡系在气穴后缘出现强烈振荡的情况发生，进一步减弱气穴后缘涡系对气穴内部水流及气穴底部气层的扰动，有利于气层稳定维持。
[0036] 本发明应用在船舶上时，将本发明设置在船舶底板外侧，在船舶外侧布置稳压气源舱或在船体上开通气孔(开通气孔位置进行结构补强)，使得外部空气通过第一通气孔和第二通气孔进入气穴中，并在气穴内形成气层。若是船底板很长，可沿着船长方向连续布置多个本发明，在最上游气穴的前端布置前导流端面2、最下游气穴的后部布置后去流端面3，位于中间的气穴则不需布置前导流端面2和后去流端面3，直接将气穴体1首位相连。
[0037] 本发明在工作时，如图2所示，船舶向前航行，相对于船体表面，水流自前向后流动，流经气穴体1的前导流端面2并形成固壁湍流边界层，湍流边界层在气穴11前缘脱离壁面，进入气穴11上方，同时产生横向大尺度涡，在大涡破碎器8作用下，大尺度涡强度得以削弱，向下游发展形成自由剪切湍流，进而削弱气穴11开口上方自由剪切湍流与气穴11前缘凹腔内部涡系的相互作用，使气层稳定存在气穴11底部；在后缘凹腔和流线型尾端面10共同作用下，自由剪切湍流在气穴11后缘分成两部分，一部分进入后缘凹腔形成稳定的涡系，另一部分进入气穴11的尾流，流经后去流端面3到达船底板，避免了自由剪切湍流在气穴后缘“大部分进入气穴”、“大部分逃逸进入尾流”、“约一半进入气穴另一半进入尾流”这三种模态间歇出现，避免涡系在气穴11后缘出现强烈振荡的情况发生，进一步减弱后缘涡系对气穴内部水流及气穴底部气层的扰动，有利于气层稳定维持。
[0038] 以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
