CN103910023A - 一种新型高效水翼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型高效水翼，该水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板通水翼支柱固定安装在舰艇下方，水翼板的外表面上设有由粗糙带、槽、凹坑或者纹理结构构成的减阻结构。具备这种减阻结构的水翼板在水中运动时，具备较高的升阻比，可以降低水翼对水的摩擦阻力和粘滞阻力，增加驱动水翼艇等运载工具的能量效率，在提高船舶航速的同时达到节能减排的有益效果。

Description

一种新型高效水翼

技术领域

本发明涉及水翼装置，更具体地说，涉及一种新型高效水翼。

背景技术

水翼船或水翼艇是可以进行高速航行的水中交通工具。船身的底部装有支架，支架下方安装有水翼板，水翼板完全或部分浸没在水中。根据流体力学的原理，流速越大的位置，压强越小。当船舶在水中航行时，水相对于水翼板快速流动，并且经过其上表面的水流速度大，下表面的水流速度小，这样水翼板的上下表面就形成了压强差，当压强差强到一定程度时，船身就会被抬高，甚至高出水面。船身浸没在水中的体积减小，所受到的水的阻力也相应大幅度减小，这样，在相同的推进力下，安装了水翼的船舶可以达到更高的速度。跟其他的高速舰艇技术相比，水翼艇（主要是全浸型）的主要优点是能够在较为恶劣的海情下航行，艇身的巅簸较少。而且高速航行时所产生的兴波较为少，对岸边的影响较低。

由于现在节能减排的要求，整个航运界和造船界对于能耗指标的要求达到了新的高度。对于船舶制造来说如何减小航行的阻力一直也是很多研究院校研究的一个方向，船舶阻力的减小能够在额定功率下达到更快的速度，达到节能减排的目的。安装水翼虽然可以有效提高船舶的航行速度，但是目前仍有许多问题有待解决。比如水翼在水中运动时，上下翼面都与水接触。当水流过水翼的时候，由于水本身的粘性，会在水翼表面形成一个边界层。边界层是一个薄层，它紧靠水翼表面，沿水翼表面法线方向存在着很大的速度梯度和旋度的流动区域。粘性应力对边界层的水体来说是阻力，所以随着水体沿物面向后流动，边界层内的水体会逐渐减速，增压。由于水体流动的连续性，边界层会变厚以在同一时间内流过更多的低速水体。因此边界层内存在着逆压梯度，流动在逆压梯度作用下，会进一步减速，最后整个边界层内的水体的动能都不足以长久的维持流动一直向下游进行，以致在物体表面某处其速度会与势流的速度方向相反，即产生逆流。该逆流会把边界层向势流中排挤，造成边界层突然变厚或分离。边界层分离会使得阻力上升，特别是因为位在水翼前后水体的压强差上升，使得压差阻力变大。阻力上升就会引起速度下降，起不到水翼应该起到的作用。

此外，水翼与来流有一定攻角,翼截面有拱度，因而产生升力。水翼的运动速度不断提高，翼面上的负压强便不断下降，当负压强降至低于水在当时温度下的饱和蒸汽压强时,局部翼面上的水出现气泡,当气泡随水流运动到高压区的时候，气泡收到挤压收缩甚至发生溃灭，伴随着气泡的产生、发展和溃灭的循环过程，是空化的过程。空化是一种非常有害的现象，它会早成机械破坏、增大噪声等后果，并且会引起阻力增大和升力不稳定，甚至引发灾难事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种性能更加优异的水翼，这种水翼可以避免现有技术中低阻力水翼的困难，降低水翼对水的摩擦阻力和粘滞阻力，增加驱动水翼艇等运载工具的能量效率，在提高船舶航速的同时达到节能减排的有益效果。

相应地，本发明在不具限制性的实施例中提供了一种新型高效水翼以解决上述技术问题，这种水翼包括水翼板和水翼支柱，水翼板固定安装在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安装在舰艇的船身下方，水翼板的外表面上设有减阻结构，水翼板的翼截面（平行于水翼运动时前进方向的截面）为机翼形或弓形或月牙形，减阻结构可以是是分布在水翼板表面的粗糙带，粗糙带可以是连续的一整片，也可以是断续的几片，多片粗糙带可以是横向或者纵向平行分布或者称阵列形式规则分布，也可以是无序分布在水翼板的外表面上，根据试验表明粗糙带在位于距离水翼板前缘的10%～30%弦长处，其宽度为5%～20%弦长，高度为0.05mm～0.2mm可以取到较好的发明效果。

除了粗糙带以外，减阻结构还可以采用设置在水翼板表面的凹槽和纵横交错的网格状纹理结构。凹槽和纹理结构可以是直线型也可以是曲线型，或者是无规则线条形状，凹槽和纹理结构在水翼板表面的分布可以是横向、纵向平行分布，也可以是无序地分布在水翼板的外表面上。

在本发明的众多实施例中，作为最优化选择，减阻结构宜采用分布在水翼板表面的凹坑结构。凹坑的数量可以是一个，也可以是多个。这些凹坑的形状为圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑和不规则形状凹坑中的一种或多种的组合。多个凹坑时，凹坑在水翼板的外表面的排列方式可以是如下的几种：纵横对齐排列、纵横交错排列、不规则排列。凹坑的深度范围在10mm～40mm时可以取得比较理想的减阻效果。凹坑在水翼板表面的面积率可以在5%～60%范围内进行选择。

水翼在水体中运动时的边界层，根据局部流场的雷诺数不同，边界层内的流体可以分为层流或紊流。光滑的水翼板表面的边界层内通常是层流，而不光滑水翼板的边界层内的水流是紊流。紊流的边界层受逆压梯度的影响较小，所以不光滑的水翼板表面的边界层的分离点相对靠后，其粘性阻力反而较光滑的水翼板更低，压差阻力更是可以大幅度减小。

此外在水翼板表面设置减阻结构，可以增大水翼板表面的流畅湍流，使转捩点提前，显著提升水翼板表面的流场压力，延缓空化发生，并且对水翼的升力影响较小。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1.可以有效地推后边界分离点，减小阻力，通常情况下，水翼艇航行时，雷诺数Re能够达到105以上，远远大于发生边界层分离的Re=60的要求，所以当水翼艇正常航行时，会发生边界层的分离现象，而水翼上的减阻结构能够起到推迟边界层分离点的作用，减小水翼上的粘性阻力，降低了水翼艇航行时的能耗；

2.显著提升水翼板表面的流场压力，延缓空化发生，有效降低了机械破坏、阻力增大、升力不稳定和噪音增大等不良后果。

附图说明

图1是本发明具体实施例一的结构示意图；

图2是水翼升力随攻角变化柱状图（横坐标为攻角角度）；

图3是水翼阻力随攻角变化柱状图（横坐标为攻角角度）；

图4是水翼阻力随攻角变化折线图（横坐标为攻角角度）；

图5是水翼升阻比随攻角变化折线图（横坐标为攻角角度）；

图6是固定攻角条件下水翼阻力随航速变化折线图（横坐标为航速）；

图7是固定攻角条件下水翼升阻比随航速变化折线图（横坐标为航速）；

图8是具体实施例二结构示意图；

图9是具体实施例三结构示意图；

图10是具体实施例四结构示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施例和附图本本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示的低阻力水翼，包括水翼支柱1和水翼板2，水翼板2的翼截面形状为机翼型，水翼板的翼展为15m，弦长为3m，在水翼板2的表面，纵横对齐排列着圆形凹坑3。这些凹坑3的深度为30mm，凹坑3在水翼板2表面的面积率为50%。

由于传统习惯，人们认为越光滑的表面的摩擦阻力越小，而好的材料如钛合金材料等抗空化的效果会较好，因此传统的研发方向多集中在通过改进水翼的外形来降低其受到的阻力，采用更好的材料来对抗空化效应，但是效果要么不理想，要么提高了水翼的制作成本。本发明的发明人克服了传统的技术偏见----粗糙的表面会增大摩擦阻力，将水翼板2的表面上设置了减阻结构，产生紊流的边界层，推迟边界分离点，提前了转捩点，无论在减少水翼受到的阻力方面，还是减少空化的危害方面，都取得了良好的效果，并且在实验中得到了证实。

在固定航速V=20m/s的条件下，对本发明所提供的水翼和同样尺寸和外形的光滑水翼在不同攻角下所受到的升力（L，单位：牛顿）、阻力（R，单位：牛顿）、升阻比（K）进行测试，可以得到如下的实验结果：

表1-1传统光滑水翼的升力（L）、阻力（R）、升阻比（K）实验数据

攻角	L(N)	R(N)	K
				0	2826.194392	7222.073574	0.39133
3	45115.42233	8589.438942	5.25243
				5	76782.85787	8668.696498	8.85749
6	93015.70574	8687.20853	10.99839
				7	109047.414	8770.476949	12.43346
8	125011.2142	8815.957461	14.18011

表1-2本发明水翼的升力（L）、阻力（R）、升阻比（K）实验数据

攻角	L(N)	R(N)	K
				0	2228.87036	5574.07128	0.39986
3	45164.70515	6815.78273	6.62648
				5	76742.92862	6964.77417	11.0187
6	92942.20538	6979.53639	13.3163

7	109126.79475	7006.83628	15.5743
				8	120997.89375	7048.74047	17.1658

由表1-1和图2和图3可知，水翼板2表面的凹坑3对水翼的升力几乎没有产生影响，但是水翼所受到的阻力却明显减小。再把水翼所受到的阻力和升阻比进行单独研究。由图4和图5可以看出，随着攻角的变大，本具体实施例和传统光滑水翼所受到的阻力都相应增大，但是传统光滑水翼所受到的阻力始终比本具体实施例要大。图5更加清晰地显示出本具体实施例的升阻比始终比传统光滑表面水翼要大，更加有利于安装了本发明所提供的水翼的舰艇的航行。

为了进一步验证本发明的有益效果，在固定攻角（6°）条件下改变流体速度（模拟航速）进行进一步模拟实验。可以得到如下的实验数据：

表1-3传统光滑水翼的升力、阻力和升阻比随流体速度变化数据

速度（m/s）	L(N)	R(N)	K
				15	52449.514	3088.6234	16.98151
20	93015.705	8687.2085	10.99839
				22.5	118261.114	5066.2598	23.34288
25	121008.691	7220.4245	16.75922

表1-4本发明水翼的升力、阻力和升阻比随流体速度变化数据

速度（m/s）	L(N)	R(N)	K
				15	51145.983	2447.5882	20.8108
20	92942.20538	6979.53639	13.3163
				22.5	116806.026	4153.461	28.31453
25	120510.251	4782.5431	25.19793

结合图6和图7可知，流体速度在15～25m/s（接近水翼艇常规的航行速度）范围内，本发明的水翼的整体升阻比都大于常规光滑水翼的升阻比。

因此可以得出结论，本发明使得水翼的整体升阻比得到了明显提高，优化了水翼板的性能，取得了预期的效果。

在本具体实施例中，凹坑3的深度可以在10～40mm范围内进行选择，分别取凹坑深度为10mm、15mm、20mm、30mm、35mm、40mm进行测试，均可以取得理想的提高升阻比的技术效果。

此外，凹坑3的形状也可以采用圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑和不规则形状凹坑中的一种或多种的组形式，可以采用规则或者不规则排列，均可以得到理想的提高升阻比的技术效果。

凹坑在水翼板表面的面积率在5%～60%之间，取5%、10%、20%、30%、45%、50%、55%、60%进行测试，效果均十分理想。

如图8所示的具体实施例二，与具体实施例一的区别仅在于其水翼板2表面的减阻结构是一片粗糙带4，该粗糙带在位于距离水翼板前缘的10%～30%弦长处，其宽度为20%弦长，高度为0.1mm。经测试，其也可以取得理想的提高升阻比，减少空化现象的技术效果。

如图9所示的具体实施例三，与具体实施例一的区别仅在于其水翼板2表面的减阻结构是几条平行设置的凹槽5，这些凹槽的深度为30mm，平行于水翼前缘设置。

如图10所示的具体实施例四，与具体实施例一的区别仅在于其水翼板2表面的减阻结构是一片交错的纹理结构6，这些纹理结构的深度为5mm。

以上实施例是供理解本发明之用，并非是对本发明的限制，有关领域的普通技术人员，在权利要求所述技术方案的基础上，还可以做出多种变化或造型，比如上述具体实施例的各种减阻结构可以是具体实施例所示地规则排列，也可以是不规则排列，还可以是多种减阻结构组合，例如凹坑和粗糙带、凹坑和槽、凹坑和纹理结构等等，这些变化或变型应当理解为仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型高效水翼，包括水翼板和水翼支柱，水翼板固定安装在水翼支柱的下端，水翼支柱的上端固定安装在舰艇的船身下方，其特征在于：所述水翼板的外表面上设有减阻结构，所述减阻结构为分布在水翼板表面的粗糙带、凹槽、纹理结构或者凹坑中的一种或多种组合，所述粗糙带、凹槽、纹理结构或者凹坑的数量最少是一个。

2.根据权利要求1所述的新型高效水翼，其特征在于：所述凹坑为圆形凹坑、椭圆形凹坑、多边形凹坑和不规则形状凹坑中的一种或多种组合。

3.根据权利要求2所述的新型高效水翼，其特征在于：所述凹坑的数量有多个，并在水翼板的外表面纵横对齐整齐排列。

4.根据权利要求2所述的新型高效水翼，其特征在于：所述凹坑的数量有多个，并在水翼板的外表面纵横交错排列。

5.根据权利要求2所述的新型高效水翼，其特征在于：所述凹坑的数量有多个，并在水翼板的外表面不规则排列。

6.根据权利要求1至5任一项所述的新型高效水翼，其特征在于：所述凹坑的深度为10mm～40mm。

7.根据权利要求6所述的新型高效水翼，其特征在于：所述凹坑的面积率为5%～20%。

8.根据权利要求1所述的新型高效水翼，其特征在于：所述水翼板的平行于舰艇前进方向的截面外轮廓为机翼型，所述粗糙带位于距离水翼板前缘的10%～30%弦长处，粗糙带的宽度为5%～20%弦长，高度0.05mm～0.2mm。

9.根据权利要求1所述的新型高效水翼，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缘。

10.根据权利要求1所述的新型高效水翼，其特征在于：所述纹理结构为纵横交错的网格状纹理结构，分布于所述水翼板的表面。