[发明专利]减摩船与减小表面摩擦的方法

说明书

本发明总体上涉及减摩船与减小表面摩擦的方法，具体涉及到通过从船壳将气泡吹入水中来减小表面摩擦的技术。

用来减小船的表面摩擦的技术已公开于许多日本专利申请例如申请公报S50-83992、S53-136289、S60-139586与S61-71290以及实用新型申请S61-39691、S61-128185中。这些所公开的工艺的根据都是通过从船壳表面将气体吹入水中，以在船壳与水的界面中引入大量气泡来减小船与水间的表面摩擦而减小船的表面摩擦的。

在这种技术中已知，为了提高上述气泡形成的减摩效果，应增加吹入水中的气体体积以提高船壳表面上形成的紊流界面层中的平均空隙比αm(气泡的密集度)，但业已发现，较高的气体流率会将气泡从紊流界面层推出，从而不会使此界面层中的平均空隙率αm增大。

能够用于减摩船上的一种实用方法是通过吹入船上的压缩机所产生的压缩空气来产生气泡，以在船的底部于界面层中形成所需的空隙率。

但由于船的底部处存在很高的静压下，上述工艺便成为高能耗的，使得为产生气泡需用的能量超过了因减小表面摩擦力而节省的能量，因而将底部鼓泡工艺用于实际环境中是有问题的。

通过对船的表面摩擦效应的一系列研究本发明的申请人发现，要是把喷嘴设在低静压区，就可使船底与船壳表面形成的气泡流场沿船壳表面流动。在此前提下，申请人发展了使气泡发生于低静压区的计算模型并给出了船壳结构的外形，这一模型通过考虑气泡沿船壳表面流线的紊流扩散而能计算船壳结构附近任何位置处的空隙率。

根据应用假定为各向同性扩散场中的紊流系数所发展的计算方程，通过改变沿x、y与z方向漂浮方向上的流速研究了紊流扩散效应，由此来建立追踪围绕船壳表面流动的气泡的紊流。换言之，这种气泡的随机活动是用蒙特卡罗法直接模拟的。当微泡的活动用这样的方法确定后，由容器容积(观察容积)去除此容积中给定的容积内所存在微泡的体积，可以求得一定时刻F的空隙率。根据这样求得的空隙率的分布构型，位于预期会有最大减摩效应的船头处的喷气装置的最佳构型便可以相对于从这些位置引出并沿船壳表面朝船尾布散的流线确定。

从船头喷入到界面层中的气泡与上述流线一起这样地输运。使得在底部前方区中的气泡将沿底面流动，而在船的后部区中的气泡则将沿着船的侧面流动。最终的结果是，这些气泡能够铺陈到行进中的船的整个浸没的表面上，可以有效地减小摩擦。铺陈到船壳表面上的这些气泡要是它们能够紧附到此壳面上就能更有效地减小摩擦。

但是，尽管载运到底部段的这些气泡会暂时停驻于底面附近并紧附于底面上，而那些沿着侧面船壳流动的侧向气泡就不能有效地将气泡本身中固有的上升力改变到使之能紧附到表面上的方向。这就是说，几乎没有力作用到这些侧向气泡上来使它们保持于船壳表面附近。换言之，对于通常由具备有大致垂直于底板的侧壳板的油船为代表的一般船形而论，这种侧向气泡不会产生使其保持于紧邻壳面处的力。于是，本发明的申请人认定，要是这种气泡能受到横向力的作用使其保持贴附于船壳表面上，就能进一步改进船舶的减摩效应。

此外，对于船底的气泡来说，气泡的直径越大，能使它们紧附到船底表面上的浮力也越大，同时界面层中的平均孔隙率也越高而能产生更大的减摩效果。但就侧向气泡而论，把它们保持于船壳表面邻近的力仅仅是由于切变流动速度与气泡流动速度之差而导出的上升力(saffman升力)。这种上升力是较小的，因而气泡很快地从船壳表面带走。侧向气泡的上述行为表明它们无助于有效地减小表面摩擦力，这是由于一般在船头附近形成有薄的界面层，它朝船尾增厚，因为要是把通过气体喷射装置的气体流率调节到使气泡在厚的界面层中具有最大的保持力时，则这种界面层中的气泡就会从较薄的界面层中吹出。于是，关键在于控制气泡的产生条件，以使其能在船舶的各种运行条件下都保持于界面层内而让其具有最大的减摩效果。

鉴于用来减小船舶表面摩擦力的先有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种技术使其能实现下述广泛的技术目的。

1．能有效地减小表面摩擦，同时使需要吹入水中的气体体积最小；以及

2．使气泡保持于紊流界面层内。

上述目的业已由这样一种减小船舶表面摩擦的方法实现，此方法是从行进中的船上将气体吹入水中而在浸没的表面上产生气泡，且使得气泡产生在沿纵向以特定的距离分开的位置上。