一种船舶尾流节能附体

技术领域

本发明属于船舶节能附体设计技术领域，具体涉及一种船舶尾流节能附体。

背景技术

浸没式喷水推进器较好地结合了常规螺旋桨推进与尾板式喷水推进的技术特点与优势，在由低至高等较宽航速范围内均可保持较高的推进效率。该类推进器是高速排水型船舶推进技术的重要发展方向之一。浸没式喷水推进船舶对应新船型和浸没式喷水推进器的一体化创新优化设计是提升该类船舶综合航行性能的关键手段。除此之外，针对性地设计研发适用于浸没式喷水推进大型高速排水型船舶的尾流节能附体亦是进一步提升该类船舶阻力性能、提升快速性和续航力的重要途径之一。

浸没式喷水推进船舶对应推进泵抽吸喷射过程所处船体伴流环境、所引起的船尾边界层速度梯度、船尾压力场分布、船尾兴波等流场特性变化也与其他推进方式不同。目前常规的尾楔、阻流板、压浪板和水翼等船尾节能附体因船尾构型与布置方案、船尾尾流流动特征等差异无法直接应用或不适用于浸没式喷水推进大型高速排水型船舶。此外，上述船尾节能附体应用时还存在如有效减阻的航速区间较窄、有效减阻航速段与巡航航速不匹配等局限性，往往无法覆盖高速排水型船舶多工况航行的整体航速区间，无法提高整个航速范围内的船舶综合航行能效表现。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有常规船尾节能附体无法提高整个航速范围内的船舶综合航行能效表现的问题，提供一种船舶尾流节能附体，该尾流节能附体在中低巡航工况和高速工况均可实现较好的减阻效果，实现了浸没式喷水推进船舶阻力性能在整体航速区间的进一步优化，综合提高了该类船舶的快速性与续航能力。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种船舶尾流节能附体，包括纺锤形主体，所述纺锤形主体包括位于前段的主体引流段、位于后段的主体去流段、位于所述主体去流段上部的主体上层结构；所述主体引流段安装于船底尾端，主体引流段的上端面与船底尾端曲面紧密贴合并固定连接；所述主体去流段位于船体艉封板后方，主体去流段的前端面上半部与船体艉封板紧密贴合并固定连接，前端面下半部与所述主体引流段光顺连接；所述主体上层结构的前端面与船体艉封板紧密贴合并固定连接，下端面与所述主体去流段紧密贴合并固定连接；所述主体引流段的水平剖面轮廓由前至后宽度逐渐增加，主体引流段下端面的中纵剖面轮廓采用整体下倾的样条曲线来构型；所述主体去流段的水平剖面轮廓由前至后宽度逐渐变小，主体去流段下端面的中纵剖面轮廓下边缘型线由前至后采用先整体下倾的样条曲线后整体抬升的样条曲线来构型，两段样条曲线间采用圆弧光顺过渡。

上述方案中，所述纺锤形主体的整体外轮廓呈纺锤形，即整体外轮廓由下至上先变宽后变窄、整体呈现下宽上窄的构型变化趋势；所述纺锤形主体关于中纵剖面左右对称。

上述方案中，所述主体引流段长度为船长的1％～2％；主体引流段高度为为船尾吃水高度的0.9至1.1倍。

上述方案中，所述主体引流段下端面为触水面，下端面的横剖面轮廓采用V型剖面来构型，其最大剖面宽度为船宽的10％～20％。

上述方案中，所述主体去流段长度为船长的3％～5％；主体去流段高度为船尾吃水高度的1.6至2.0倍；主体去流段上端面应高于船尾吃水线。

上述方案中，所述主体去流段下端面的横剖面轮廓采用V型剖面来构型，其最大剖面宽度为船宽的15％～25％。

上述方案中，所述主体引流段下端面的中纵剖面轮廓向下倾斜的角度β为20度～30度，所述主体去流段下端面的中纵剖面轮廓向下倾斜的角度α为0度～10度。

上述方案中，所述主体上层结构为圆锥曲面，其中纵剖面轮廓呈三角形。

上述方案中，所述船舶尾流节能附体还包括主消波板，所述主消波板是自所述主体去流段的上端外表面向外凸出的板结构。

上述方案中，所述船舶尾流节能附体还包括辅助消波板，所述辅助消波板位于所述主消波板下方，是自所述主体去流段外表面向外凸出的板结构。

本发明的有益效果在于：

本发明设计的船舶尾流节能附体在中低巡航工况和高速工况均可实现较好的减阻效果，主要体现在：

(1)流体流经尾流节能附体的纺锤形主体时，因其前宽后窄的纺锤形水平剖面构型可扩压减速以减小摩擦阻力，且结合前高后低的下倾中纵剖面构型可增加推船向前的静压力，纺锤形主体在Fr＝0.1～0.5对应较宽航速范围内可提供向前推力，以减小船体总阻力；

(2)尾流节能附体的主体引流段构型对船尾流场有一定的阻滞作用，通过降低船尾局部流场的流速可提升对应区域的船尾局部压力，以减少船体首尾压差，继而减小船体兴波阻力；

(3)尾流节能附体的纺锤形主体所产生的尾流波谷可与对应船体尾流波峰形成有利干扰以降低船后尾波高度，减少船后尾波形成过程中的能量损失，以减小船体兴波阻力；

(4)消波板可额外吸收船后尾波能力，进一步减小船体兴波阻力，并弱化船后鸡尾流等尾迹特征。

因此，将本发明船舶尾流节能附体应用于浸没式喷水推进船舶尾部，在浸没式喷水推进船舶对应的中低巡航工况和高速工况均可实现较好的减阻效果，实现了浸没式喷水推进船舶阻力性能在整体航速区间的进一步优化，综合提高了该类船舶的快速性与续航能力。

此外，本发明船舶尾流节能附体结构简单，易于安装，经一定适配调整和设计后亦可推广应用于现有的螺旋桨推进船舶。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明船舶尾流节能附体的船尾安装示意图；

图2是纺锤形主体的侧视图；

图3是纺锤形主体的前视图；

图4是纺锤形主体的后视图；

图5是纺锤形主体的仰视图；

图6是纺锤形主体尾流波谷与船体尾流波峰间的干扰机制示意图；

图7为纺锤形尾流节能附体减阻比例数据图。

图中：10、纺锤形主体；11、主体引流段；12、主体去流段；13、主体上层结构；

20、主消波板；21、辅助消波板。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种船舶尾流节能附体，该尾流节能附体通过焊接直接固定安装于大型高速排水型船舶的艉封板和船底尾端。

如图2-5所示，船舶尾流节能附体包括纺锤形主体10，纺锤形主体10关于其中纵剖面呈左右对称的结构。纺锤形主体10包括位于前段的主体引流段11、位于后段的主体去流段12、位于主体去流段12上部的主体上层结构13。主体引流段11安装于船底尾端，主体引流段11的上端面与船底尾端曲面紧密贴合并固定连接；主体去流段12位于船体艉封板后方，主体去流段12的前端面上半部与船体艉封板紧密贴合并固定连接，前端面下半部与主体引流段11光顺连接；主体上层结构13的前端面与船体艉封板紧密贴合并固定连接，下端面与主体去流段12紧密贴合并固定连接。

如图5所示，主体引流段11长度为船长的1％～2％，其高度为船尾吃水高度的0.9至1.1倍。主体引流段11的水平剖面轮廓由前至后宽度逐渐增加，对应构型用样条曲线的弧度由前至后则不断变小。主体引流段11下端面为触水面，主体引流段11下端面的中纵剖面轮廓采用整体下倾的样条曲线来构型，向下倾斜的角度β为20度～30度；下端面的横剖面轮廓采用V型剖面来构型，其最大剖面宽度为船宽的10％～20％。主体引流段11的具体构型受航速、船尾结构、船尾布置方案、船后尾流、推进器射流等多方面因素影响。开展主体引流段11下端面构型设计时，应统筹考虑不同航速工况下主体引流段11所引起的船底尾端局部压力提升对应的减阻作用、附体上游流体阻滞对应的附体自身增阻作用等方面的综合影响，通过模型试验或数值计算等手段开展水动力性能优化设计，以得到在Fr＝0.1～0.5对应较宽航速范围内主体引流段自身阻力、对应船尾局部压力提升等性能多航速工况综合最优的主体引流段构型方案。

继续参见图5，主体去流段12的长度为船长的3％～5％，其高度为船尾吃水高度的1.6至2.0倍，其上端面应高于船尾吃水线。主体去流段12的水平剖面轮廓由前至后宽度逐渐变小，对应构型用样条曲线的弧度由前至后则呈现缓慢变大。主体去流段12的水平剖面轮廓前端与主体引流段11对应位置的水平剖面轮廓线均光顺连接。主体去流段12下端面的中纵剖面轮廓下边缘型线采用先整体下倾的样条曲线后整体抬升的样条曲线来构型，两段样条曲线间采用半径为R的圆弧来光顺过渡。中纵剖面轮廓下边缘型线向下倾斜的角度α可取0度～10度；下端面的横剖面轮廓采用V型剖面来构型，其最大剖面宽度为船宽的15％～25％。主体去流段12构型主要受航速、船后尾流、推进器射流、上游主体引流段11流场扰动等方面因素的影响。开展主体去流段12下端面构型设计时，应统筹考虑其所受流体静压力、动压力与摩擦力综合影响，采用模型试验或数值计算等手段开展水动力性能优化设计，比较分析在Fr＝0.1～0.5对应较宽航速范围内主体去流段的壁面压力分布、近壁面流场速度分布、主体去流段整体受力的总体变化趋势，多方案优化中纵剖面下边缘型线构型、横剖面轮廓构型、主体去流段长度，以得到多航速工况下纺锤形主体10推力提升、船后尾波有利干扰等方面综合性能最佳的主体去流段12构型方案。

参见图3-4，纺锤形主体10的前视图与后视图中的整体外轮廓均呈纺锤形，即整体外轮廓由下至上先变宽后变窄、整体呈现下宽上窄的构型变化趋势。参见图5，主体引流段11与主体去流段12各自对应的水平剖面轮廓亦呈纺锤形构型(图5所示虚线为主体引流段11上端面所对应的水平剖面线)，即纺锤形主体10水平剖面构型的宽度呈现前宽后窄的变化趋势。

船舶航行过程中，纺锤形主体10半浸没于水中。流体流经该纺锤形主体10时受流体静压力、动压力及摩擦力综合作用。其中，纺锤形主体10的主体去流段12由前至后呈收缩构型，流体流经主体去流段12壁面时存在扩压减速现象，而流速降低有助于减小主体去流段12所受摩擦阻力。另一方面，主体去流段12的下边缘轮廓呈下倾构型，其所受静压力整体指向船艏(此时为向前推力)，且静压力在主体去流段12所受合力中占主导作用，主体去流段12所受合力为指向船艏的向前推力。纺锤形主体10的主体引流段11对应构型相对小巧，其长度约为主体去流段12长度的25％～35％，主体引流段11高度为主体去流段12高度的45％～55％。主体引流段11所受向后阻力(指向船尾)在较宽航速范围内均小于主体去流段12所产生的向前推力。

因此，综合主体引流段11、主体去流段12多航速工况下的各自受力及其对船尾流场的影响机制，纺锤形主体10在高速排水型船舶主要运营工况对应的较宽航速范围内(Fr＝0.1～0.5)均可对船体提供向前的推力，以减小船体总阻力。

进一步优化，主体上层结构13不与水接触，其不属于尾流节能附体的有效减阻结构，主要用于尾流节能附体与船体间的固定连接。主体上层结构13的构型时应整体考虑附体安装与结构强度、船尾构型与布置方案、船舶减重需求以及船舶美学设计等多方面要求进行综合设计。本实施例中，主体上层结构13为圆锥曲面，其中纵剖面轮廓呈三角形。

进一步优化，船舶尾流节能附体还包括主消波板20，主消波板20是自主体去流段12的上端外表面向外凸出的板结构。主消波板20用于吸收船后尾波与纺锤形主体10尾流的能量，进一步减小船体兴波阻力，并弱化船后鸡尾流等尾迹特征。主消波板20可采用等边梯形或长方形构型，其垂向布置位置、整体构型及倾斜角度可通过模型试验或数值计算等手段开展多方案对比分析，以全船总阻力最小为优化目标来得到最终构型方案。

进一步优化，船舶尾流节能附体还包括辅助消波板21，辅助消波板21位于主消波板20下方，是自主体去流段12外表面向外凸出的板结构。辅助消波板21主要为对应航行工况航速范围较宽的船舶设计使用。上述船舶在全航速范围内航行时，其船尾吃水在低速巡航工况与高速奔袭工况下差异较大。在主消波板20改善中高航速工况船体阻力性能的前提下，通过加装辅助消波板21可有效满足船体低速工况的减阻需求，以保证尾流节能附体在整体航速区间下的综合减阻效果。当同步采用主消波板20和辅助消波板21时，两者的垂向布置位置、整体构型及倾斜角度可通过模型试验或数值计算等手段开展多方案对比分析，以全船总阻力最小为优化目标来得到最终构型方案。

进一步优化，主消波板20和辅助消波板21的板厚应根据对应船舶设计航速工况下的结构强度要求来进行具体设定。

本发明提出的船舶尾流节能附体可以实现如下四方面功能：

(1)流体流经尾流节能附体的纺锤形主体10时，因其前宽后窄的纺锤形水平剖面构型可扩压减速以减小摩擦阻力，且结合前高后低的下倾中纵剖面构型可增加推船向前的静压力，纺锤形主体10在较宽航速范围内可提供向前推力，以减小船体总阻力；

(2)尾流节能附体的主体引流段11构型对船尾流场有一定的阻滞作用，通过降低船尾局部流场的流速可提升对应区域的船尾局部压力，以减少船体首尾压差，继而减小船体兴波阻力；

(3)如图6所示，尾流节能附体的纺锤形主体10所产生的尾流波谷可与对应船体尾流波峰形成有利干扰以降低船后尾波高度，减少船后尾波形成过程中的能量损失，以减小船体兴波阻力；

(4)消波板可额外吸收船后尾波能力，进一步减小船体兴波阻力，并弱化船后鸡尾流等尾迹特征。

参见图7，某型浸没式喷水推进大型高速排水型船舶在安装本案例图1所示的尾流节能附体后，分别在船长傅汝德数Fr＝0.15、Fr＝0.26和Fr＝0.41工况下分别减阻4.5％、6％与3％，各个航速工况下的减阻效果均较好。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。