一種表面帶凹坑的水翼的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種表面帶凹坑的水翼，這種水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板通水翼支柱固定安裝在艦艇下方，水翼板的外表面上設(shè)有由粗糙帶、槽、凹坑或者紋理結(jié)構(gòu)構(gòu)成的減阻結(jié)構(gòu)。具備這種減阻結(jié)構(gòu)的水翼板在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，具備較高的升阻比，可以降低水翼對(duì)水的摩擦阻力和粘滯阻力，增加驅(qū)動(dòng)水翼艇等運(yùn)載工具的能量效率，在提高船舶航速的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的有益效果。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種表面帶凹坑的水翼

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及水翼裝置，更具體地說(shuō)，涉及一種表面帶凹坑的水翼。

【背景技術(shù)】
[0002]水翼船或水翼艇是可以進(jìn)行高速航行的水中交通工具。船身的底部裝有支架,支架下方安裝有水翼板，水翼板完全或部分浸沒(méi)在水中。根據(jù)流體力學(xué)的原理，流速越大的位置，壓強(qiáng)越小。當(dāng)船舶在水中航行時(shí)，水相對(duì)于水翼板快速流動(dòng)，并且經(jīng)過(guò)其上表面的水流速度大，下表面的水流速度小，這樣水翼板的上下表面就形成了壓強(qiáng)差，當(dāng)壓強(qiáng)差強(qiáng)到一定程度時(shí)，船身就會(huì)被抬高，甚至高出水面。船身浸沒(méi)在水中的體積減小，所受到的水的阻力也相應(yīng)大幅度減小，這樣，在相同的推進(jìn)力下，安裝了水翼的船舶可以達(dá)到更高的速度。跟其他的高速艦艇技術(shù)相比，水翼艇(主要是全浸型)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在較為惡劣的海情下航行，艇身的巔簸較少。而且高速航行時(shí)所產(chǎn)生的興波較為少，對(duì)岸邊的影響較低。
[0003]由于現(xiàn)在節(jié)能減排的要求，整個(gè)航運(yùn)界和造船界對(duì)于能耗指標(biāo)的要求達(dá)到了新的高度。對(duì)于船舶制造來(lái)說(shuō)如何減小航行的阻力一直也是很多研究院校研究的一個(gè)方向，船舶阻力的減小能夠在額定功率下達(dá)到更快的速度，達(dá)到節(jié)能減排的目的。安裝水翼雖然可以有效提高船舶的航行速度，但是目前仍有許多問(wèn)題有待解決。比如水翼在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下翼面都與水接觸。當(dāng)水流過(guò)水翼的時(shí)候，由于水本身的粘性，會(huì)在水翼表面形成一個(gè)邊界層。邊界層是一個(gè)薄層，它緊靠水翼表面，沿水翼表面法線方向存在著很大的速度梯度和旋度的流動(dòng)區(qū)域。粘性應(yīng)力對(duì)邊界層的水體來(lái)說(shuō)是阻力，所以隨著水體沿物面向后流動(dòng)，邊界層內(nèi)的水體會(huì)逐漸減速，增壓。由于水體流動(dòng)的連續(xù)性，邊界層會(huì)變厚以在同一時(shí)間內(nèi)流過(guò)更多的低速水體。因此邊界層內(nèi)存在著逆壓梯度，流動(dòng)在逆壓梯度作用下，會(huì)進(jìn)一步減速，最后整個(gè)邊界層內(nèi)的水體的動(dòng)能都不足以長(zhǎng)久的維持流動(dòng)一直向下游進(jìn)行，以致在物體表面某處其速度會(huì)與勢(shì)流的速度方向相反，即產(chǎn)生逆流。該逆流會(huì)把邊界層向勢(shì)流中排擠，造成邊界層突然變厚或分離。邊界層分離會(huì)使得阻力上升，特別是因?yàn)槲辉谒砬昂笏w的壓強(qiáng)差上升，使得壓差阻力變大。阻力上升就會(huì)引起速度下降，起不到水翼應(yīng)該起到的作用。
[0004]此外，水翼與來(lái)流有一定攻角，翼截面有拱度，因而產(chǎn)生升力。水翼的運(yùn)動(dòng)速度不斷提高，翼面上的負(fù)壓強(qiáng)便不斷下降，當(dāng)負(fù)壓強(qiáng)降至低于水在當(dāng)時(shí)溫度下的飽和蒸汽壓強(qiáng)時(shí)，局部翼面上的水出現(xiàn)氣泡，當(dāng)氣泡隨水流運(yùn)動(dòng)到高壓區(qū)的時(shí)候，氣泡收到擠壓收縮甚至發(fā)生潰滅，伴隨著氣泡的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅的循環(huán)過(guò)程，是空化的過(guò)程。空化是一種非常有害的現(xiàn)象，它會(huì)早成機(jī)械破壞、增大噪聲等后果，并且會(huì)引起阻力增大和升力不穩(wěn)定，甚至引發(fā)災(zāi)難事故。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種性能更加優(yōu)異的水翼，這種水翼可以避免現(xiàn)有技術(shù)中低阻力水翼的困難，降低水翼對(duì)水的摩擦阻力和粘滯阻力，增加驅(qū)動(dòng)水翼艇等運(yùn)載工具的能量效率，在提高船舶航速的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的有益效果。
[0006]相應(yīng)地，本實(shí)用新型在不具限制性的實(shí)施例中提供了一種表面帶凹坑的水翼以解決上述技術(shù)問(wèn)題，這種水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板固定安裝在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安裝在艦艇的船身下方，水翼板的外表面上設(shè)有減阻結(jié)構(gòu)，水翼板的翼截面(平行于水翼運(yùn)動(dòng)時(shí)前進(jìn)方向的截面)為機(jī)翼形或弓形或月牙形，減阻結(jié)構(gòu)可以是是分布在水翼板表面的粗糙帶，粗糙帶可以是連續(xù)的一整片，也可以是斷續(xù)的幾片，多片粗糙帶可以是橫向或者縱向平行分布或者稱(chēng)陣列形式規(guī)則分布，也可以是無(wú)序分布在水翼板的外表面上，根據(jù)試驗(yàn)表明粗糙帶在位于距離水翼板前緣的10%?30%弦長(zhǎng)處，其寬度為5%?20%弦長(zhǎng),高度為0.05mm?0.2mm可以取到較好的實(shí)用新型效果。
[0007]除了粗糙帶以外，減阻結(jié)構(gòu)還可以采用設(shè)置在水翼板表面的凹槽和縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格狀紋理結(jié)構(gòu)。凹槽和紋理結(jié)構(gòu)可以是直線型也可以是曲線型，或者是無(wú)規(guī)則線條形狀，凹槽和紋理結(jié)構(gòu)在水翼板表面的分布可以是橫向、縱向平行分布，也可以是無(wú)序地分布在水翼板的外表面上。
[0008]在本實(shí)用新型的眾多實(shí)施例中，作為最優(yōu)化選擇，減阻結(jié)構(gòu)宜采用分布在水翼板表面的凹坑結(jié)構(gòu)。凹坑的數(shù)量可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。這些凹坑的形狀為圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑和不規(guī)則形狀凹坑中的一種或多種的組合。多個(gè)凹坑時(shí)，凹坑在水翼板的外表面的排列方式可以是如下的幾種:縱橫對(duì)齊排列、縱橫交錯(cuò)排列、不規(guī)則排列。凹坑的深度范圍在1mm?40mm時(shí)可以取得比較理想的減阻效果。凹坑在水翼板表面的面積率可以在5%?60%范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。
[0009]水翼在水體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的邊界層，根據(jù)局部流場(chǎng)的雷諾數(shù)不同，邊界層內(nèi)的流體可以分為層流或紊流。光滑的水翼板表面的邊界層內(nèi)通常是層流，而不光滑水翼板的邊界層內(nèi)的水流是紊流。紊流的邊界層受逆壓梯度的影響較小，所以不光滑的水翼板表面的邊界層的分離點(diǎn)相對(duì)靠后，其粘性阻力反而較光滑的水翼板更低，壓差阻力更是可以大幅度減小。
[0010]此外在水翼板表面設(shè)置減阻結(jié)構(gòu)，可以增大水翼板表面的流暢湍流，使轉(zhuǎn)捩點(diǎn)提前，顯著提升水翼板表面的流場(chǎng)壓力，延緩空化發(fā)生，并且對(duì)水翼的升力影響較小。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益之處在于:
[0012]1.可以有效地推后邊界分離點(diǎn)，減小阻力，通常情況下，水翼艇航行時(shí)，雷諾數(shù)Re能夠達(dá)到105以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)生邊界層分離的Re=60的要求，所以當(dāng)水翼艇正常航行時(shí)，會(huì)發(fā)生邊界層的分離現(xiàn)象，而水翼上的減阻結(jié)構(gòu)能夠起到推遲邊界層分離點(diǎn)的作用，減小水翼上的粘性阻力，降低了水翼艇航行時(shí)的能耗；
[0013]2.顯著提升水翼板表面的流場(chǎng)壓力，延緩空化發(fā)生，有效降低了機(jī)械破壞、阻力增大、升力不穩(wěn)定和噪音增大等不良后果。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型具體實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是水翼升力隨攻角變化柱狀圖(橫坐標(biāo)為攻角角度);
[0016]圖3是水翼阻力隨攻角變化柱狀圖(橫坐標(biāo)為攻角角度);
[0017]圖4是水翼阻力隨攻角變化折線圖(橫坐標(biāo)為攻角角度)；
[0018]圖5是水翼升阻比隨攻角變化折線圖(橫坐標(biāo)為攻角角度)；
[0019]圖6是固定攻角條件下水翼阻力隨航速變化折線圖(橫坐標(biāo)為航速)；
[0020]圖7是固定攻角條件下水翼升阻比隨航速變化折線圖(橫坐標(biāo)為航速)；
[0021]圖8是具體實(shí)施例二結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖9是具體實(shí)施例三結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖10是具體實(shí)施例四結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面根據(jù)具體實(shí)施例和附圖本本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]如圖1和圖2所示的低阻力水翼，包括水翼支柱I和水翼板2，水翼板2的翼截面形狀為機(jī)翼型，水翼板的翼展為15m,弦長(zhǎng)為3m,在水翼板2的表面,縱橫對(duì)齊排列著圓形凹坑3。這些凹坑3的深度為30mm，凹坑3在水翼板2表面的面積率為50%。
[0026]由于傳統(tǒng)習(xí)慣，人們認(rèn)為越光滑的表面的摩擦阻力越小，而好的材料如鈦合金材料等抗空化的效果會(huì)較好，因此傳統(tǒng)的研發(fā)方向多集中在通過(guò)改進(jìn)水翼的外形來(lái)降低其受到的阻力，采用更好的材料來(lái)對(duì)抗空化效應(yīng)，但是效果要么不理想，要么提高了水翼的制作成本。本實(shí)用新型的發(fā)明人克服了傳統(tǒng)的技術(shù)偏見(jiàn)一一粗糙的表面會(huì)增大摩擦阻力，將水翼板2的表面上設(shè)置了減阻結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生紊流的邊界層，推遲邊界分離點(diǎn)，提前了轉(zhuǎn)捩點(diǎn)，無(wú)論在減少水翼受到的阻力方面，還是減少空化的危害方面，都取得了良好的效果，并且在實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。
[0027]在固定航速V=20m/s的條件下，對(duì)本實(shí)用新型所提供的水翼和同樣尺寸和外形的光滑水翼在不同攻角下所受到的升力(L，單位:牛頓)、阻力(R，單位:牛頓)、升阻比(K)進(jìn)行測(cè)試，可以得到如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
[0028]表1-1傳統(tǒng)光滑水翼的升力(L)、阻力(R)、升阻比(K)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
[0029]
S[UN)|r(n)[κ
O2826.194392 7222.0735740.39133
345115.42233 8589.4389425.25243
576782.85787 8668.6964988.85749
693015.70574 8687.2085310.99839
7109047.414~8770.47694912.43346
8125011.2142 8815.95746114.18011
[0030]表1-2本實(shí)用新型水翼的升力(L)、阻力(R)、升阻比(K)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
[0031]
S[UN)[R(N)[K
O12228.87036 15574.07128|θ.39986

345164.70515~6815.782736.62648

576742.92862~ 6964.7741711.0187

692942.20538~ 6979.5363913.3163

7109126.79475 7006.8362815.5743

8120997.89375 7048.7404717.1658
[0032]由表1-1和圖2和圖3可知，水翼板2表面的凹坑3對(duì)水翼的升力幾乎沒(méi)有產(chǎn)生影響，但是水翼所受到的阻力卻明顯減小。再把水翼所受到的阻力和升阻比進(jìn)行單獨(dú)研究。由圖4和圖5可以看出，隨著攻角的變大，本具體實(shí)施例和傳統(tǒng)光滑水翼所受到的阻力都相應(yīng)增大，但是傳統(tǒng)光滑水翼所受到的阻力始終比本具體實(shí)施例要大。圖5更加清晰地顯示出本具體實(shí)施例的升阻比始終比傳統(tǒng)光滑表面水翼要大，更加有利于安裝了本實(shí)用新型所提供的水翼的艦艇的航行。
[0033]為了進(jìn)一步驗(yàn)證本實(shí)用新型的有益效果，在固定攻角(6° )條件下改變流體速度(模擬航速)進(jìn)行進(jìn)一步模擬實(shí)驗(yàn)。可以得到如下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):
[0034]表1-3傳統(tǒng)光滑水翼的升力、阻力和升阻比隨流體速度變化數(shù)據(jù)
[0035]
速度(m/s) On)[r(n)[κ
Τδ52449.514~3088.6234 16.98151
2093015.705~8687.2085 10.99839
22.5118261.114 5066.2598 23.34288
25121008.691 7220.4245 16.75922
[0036]表1-4本實(shí)用新型水翼的升力、阻力和升阻比隨流體速度變化數(shù)據(jù)
[0037]
速度(m/s)On)|r(n)[κ
1551145.983 2447.588220.8108
2092942.20538 6979.5363913.3163
22.5116806.026~4153.46128.31453
25120510.251~ 4782.543125.19793
[0038]結(jié)合圖6和圖7可知，流體速度在15?25m/s (接近水翼艇常規(guī)的航行速度)范圍內(nèi)，本實(shí)用新型的水翼的整體升阻比都大于常規(guī)光滑水翼的升阻比。
[0039]因此可以得出結(jié)論，本實(shí)用新型使得水翼的整體升阻比得到了明顯提高，優(yōu)化了水翼板的性能，取得了預(yù)期的效果。
[0040]在本具體實(shí)施例中，凹坑3的深度可以在10?40mm范圍內(nèi)進(jìn)行選擇，分別取凹坑深度為10_、15_、20_、30_、35_、40_進(jìn)行測(cè)試,均可以取得理想的提高升阻比的技術(shù)效果。
[0041]此外，凹坑3的形狀也可以采用圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑和不規(guī)則形狀凹坑中的一種或多種的組形式，可以采用規(guī)則或者不規(guī)則排列，均可以得到理想的提高升阻比的技術(shù)效果。
[0042]凹坑在水翼板表面的面積率在5%?60%之間，取5%、10%、20%、30%、45%、50%、55%、60%進(jìn)行測(cè)試，效果均十分理想。
[0043]如圖8所示的具體實(shí)施例二，與具體實(shí)施例一的區(qū)別僅在于其水翼板2表面的減阻結(jié)構(gòu)是一片粗糙帶4，該粗糙帶在位于距離水翼板前緣的10%?30%弦長(zhǎng)處，其寬度為20%弦長(zhǎng)，高度為0.1mm0經(jīng)測(cè)試，其也可以取得理想的提高升阻比，減少空化現(xiàn)象的技術(shù)效果O
[0044]如圖9所示的具體實(shí)施例三，與具體實(shí)施例一的區(qū)別僅在于其水翼板2表面的減阻結(jié)構(gòu)是幾條平行設(shè)置的凹槽5，這些凹槽的深度為30mm，平行于水翼前緣設(shè)置。
[0045]如圖10所示的具體實(shí)施例四，與具體實(shí)施例一的區(qū)別僅在于其水翼板2表面的減阻結(jié)構(gòu)是一片交錯(cuò)的紋理結(jié)構(gòu)6，這些紋理結(jié)構(gòu)的深度為5mm。
[0046]以上實(shí)施例是供理解本實(shí)用新型之用，并非是對(duì)本實(shí)用新型的限制，有關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在權(quán)利要求所述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，還可以做出多種變化或造型，比如上述具體實(shí)施例的各種減阻結(jié)構(gòu)可以是具體實(shí)施例所示地規(guī)則排列，也可以是不規(guī)則排列，還可以是多種減阻結(jié)構(gòu)組合，例如凹坑和粗糙帶、凹坑和槽、凹坑和紋理結(jié)構(gòu)等等，這些變化或變型應(yīng)當(dāng)理解為仍屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種表面帶凹坑的水翼，包括水翼板和水翼支柱，水翼板固定安裝在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安裝在艦艇的船身下方，其特征在于:所述水翼板的外表面上設(shè)有減阻結(jié)構(gòu)，所述減阻結(jié)構(gòu)為分布在水翼板表面的粗糙帶、凹槽、紋理結(jié)構(gòu)或者凹坑中的一種或多種組合，所述粗糙帶、凹槽、紋理結(jié)構(gòu)或者凹坑的數(shù)量最少是一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述凹坑為圓形凹坑、橢圓形凹坑、多邊形凹坑和不規(guī)則形狀凹坑中的一種或多種組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個(gè)，并在水翼板的外表面縱橫對(duì)齊整齊排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個(gè)，并在水翼板的外表面縱橫交錯(cuò)排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述凹坑的數(shù)量有多個(gè)，并在水翼板的外表面不規(guī)則排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述凹坑的深度為10mm?40mmη
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述凹坑的面積率為5%?20%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述水翼板的平行于艦艇前進(jìn)方向的截面外輪廓為機(jī)翼型，所述粗糙帶位于距離水翼板前緣的10%?30%弦長(zhǎng)處，粗糙帶的寬度為5%?20%弦長(zhǎng)，高度0.05mm?0.2mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述凹槽位于所述水翼板的表面且平行于所述水翼板的前緣。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面帶凹坑的水翼，其特征在于:所述紋理結(jié)構(gòu)為縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格狀紋理結(jié)構(gòu)，分布于所述水翼板的表面。
【文檔編號(hào)】B63B1/24GK203946234SQ201420164072
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】李超, 王化明, 屠璐瓊, 楊秀勇, 陳俊宏 申請(qǐng)人:浙江海洋學(xué)院