改善高速船呆木后方流场的导流罩及其安装方法

技术领域

本发明涉及航速较高且带有尾部呆木的船舶技术领域，尤其涉及一种改善高速船呆木后方流场的导流罩及其安装方法。

背景技术

大型高速双桨船在建造的时候往往需要在尾部设置铸造的呆木，这一方面可使船舶尾部的分段在船坞内有足够的支撑强度来匹配建造工艺，另一方面也可以提高尾部船体结构的强度。但是在增加呆木后，会改变船舶尾部的线型，使光顺的线型产生不光顺的突变。这种突变有可能影响船尾流场，使之产生有害的泄出涡涡流(图1)。在船舶高速运动时，这种涡流可能变成水下空泡，产生额外的振动或噪声。

目前有关船用导流罩的专利文献中，采用该类设备主要目的是：(1)减低船舶风阻力(如CN105480384A)；(2)采用导流罩保证船上设备的使用功能(CN106335602B，CN109878632A)；(3)抑制舵叶端部流体分离和空化(CN107391865A)，等等。与本专利技术用途比较接近的是CN107391865A专利，但它的主要作用是抑制船尾舵叶端部流动分离和空化，其设计方法和几何特征与本专利消除呆木泄出涡或空泡的导流罩完全不同。而由于业内没有认识到呆木在船舶高速航行时也可能会产生泄出涡甚至空泡，因而目前还没有呆木导流罩设计方法及效果的专利文献。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种改善高速船呆木后方流场的导流罩及其安装方法，能有效改善或消除大型高速船舶尾部呆木泄出涡或空泡的导流罩，从而小幅度降低船舶阻力，降低船舶尾部振动噪声水平。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善高速船呆木后方流场的导流罩，包括安装在船体上呆木后方的导流罩，导流罩的外表面曲面光顺，导流罩的边缘与船体表面光顺连接。

优选地，导流罩包括曲面外壳板，曲面外壳板内设置有一组加强筋。

优选地，导流罩的宽度与呆木的宽度相同。

一种如上所述的改善高速船呆木后方流场的导流罩的安装方法，包括如下步骤：

S1，导流罩设计：

S11，根据艉部线型确定导流罩在船舶中纵剖面内的投影曲线，投影曲线前端点与呆木末端相切连接，后端点与船体表面相切连接；

S12，沿船长方向在投影曲线上设置若干沿船长方向的站位点，在这些站位点上生成船舶横剖面线型，将船体呆木附近横剖面线型向下延伸到投影曲线，形成导流罩几何放样的剖面线；

S13，连接各个剖面线成导流罩几何外形，并查看导流罩和船体连接的光顺程度；

S14，开展计算流体力学分析，即CFD分析，在CFD计算中，首先创建船体和导流罩几何，然后在船体周围创建长方形计算域，接着划分计算域内网格并开展计算；

S15，查看和分析CFD计算结果，研究呆木流场的变化以及泄出涡减弱程度；

S2，导流罩安装：

S21，将导流罩外壳分成3～4个部分，对各个部分做外板曲面展开；

S22，，根据展开几何切割钢板，并在数控弯板机上弯压成型；

S23，将各弯压成型的部分打好焊接坡口，并焊接在一起形成导流罩外壳；

S24，采用机械切割方法制作加强筋；

S25，在加强筋上打好坡口，并将其焊接到导流罩相应位置；

S26，导流罩和船体连接钢板上打好坡口，并将导流罩焊接到船尾外板指定位置。

优选地，步骤S11中投影曲线由导流罩在船长方向的长度L和其在船舶中纵剖面内的投影面积A决定，导流罩在船长方向长度L取船舶水线长度3％-5％，面积A取船体外形中纵剖面水线以下部分面积的5‰-7‰。

优选地，步骤S11中投影曲线为四点或五点光顺的样条曲线。

优选地，步骤S12中将站位点取在导流罩长度范围内的船体肋位号上。

如上所述，本发明的改善高速船呆木后方流场的导流罩及其安装方法，具备以下的有益效果：

一、增加船舶尾部压力，降低船舶阻力和油耗；

二、改善船舶尾部流场，消除呆木末端漩涡以及由漩涡引起的空泡；

三、结构简单，工艺难度小，结构和安装强度安全可靠；

四、不仅能提高船舶运营经济性，还可以明显改善船舶尾部振动噪声水平。

附图说明

图1为本发明实施例的呆木导流罩与船体连接图；

图2为本发明实施例的设计流程示意图；

图3为本发明实施例的内部结构图；

图4为本发明实施例的三视图；

图5为本发明实施例无导流罩时船尾呆木后方的流动泄出涡示意图；

图6为本发明实施例安装导流罩后呆木后方泄出涡消失示意图。

附图标记说明：1、船体，2、呆木，3、导流罩，31、曲面外壳板，32、加强筋，33、导流罩在船舶中纵剖面内的投影曲线，4、船体中纵剖面，5、船体横剖线，B：呆木宽度；A：导流罩在中纵剖面内的投影面积；L：导流罩在船长方向长度。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在本发明的描述中，需要说明书的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介相连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图6所示，本发明提供了一种改善高速船呆木后方流场的导流罩，包括安装在船体1上呆木2后方的导流罩3，导流罩3的外表面曲面光顺，导流罩3的边缘与船体1表面光顺连接。由于导流罩的外表面曲面光顺，且导流罩的边缘与船体表面光顺连接，形成流线型的呆木导流罩，改善船舶尾部流场，消除呆木末端漩涡以及由漩涡引起的空泡，在船舶高速航行中，高速航行产生的空泡通过呆木导流罩进行消除，从而减弱呆木末端的漩涡，改善了尾部流场，降低了船舶振动噪声水平。

优选地，导流罩3包括曲面外壳板31，曲面外壳板31内设置有一组加强筋32。加强筋的作用是提高导流罩的强度，在船舶高速航行中确保导流罩的曲面保持完整，确保导流罩正常工作。

优选地，导流罩的宽度与呆木的宽度相同。

一种如上所述的改善高速船呆木后方流场的导流罩的安装方法，包括如下步骤：

S1，导流罩设计：

S11，根据艉部线型确定导流罩在船舶中纵剖面内的投影曲线，投影曲线前端点与呆木末端相切连接，后端点与船体表面相切连接；

S12，沿船长方向在投影曲线上设置若干沿船长方向的站位点，在这些站位点上生成船舶横剖面线型，将船体呆木附近横剖面线型向下延伸到投影曲线，形成导流罩几何放样的剖面线；

S13，连接各个剖面线成导流罩几何外形，并查看导流罩和船体连接的光顺程度；

S14，开展计算流体力学分析，即CFD分析，在CFD计算中，首先创建船体和导流罩几何，然后在船体周围创建长方形计算域，接着划分计算域内网格并开展计算；

S15，查看和分析CFD计算结果，研究呆木流场的变化以及泄出涡减弱程度；

S2，导流罩安装：

S21，将导流罩外壳分成3～4个部分，对各个部分做外板曲面展开；

S22，，根据展开几何切割钢板，并在数控弯板机上弯压成型；

S23，将各弯压成型的部分打好焊接坡口，并焊接在一起形成导流罩外壳；

S24，采用机械切割方法制作加强筋；

S25，在加强筋上打好坡口，并将其焊接到导流罩相应位置；

S26，导流罩和船体连接钢板上打好坡口，并将导流罩焊接到船尾外板指定位置。

优选地，步骤S11中投影曲线由导流罩在船长方向的长度L和其在船舶中纵剖面内的投影面积A决定，导流罩在船长方向长度L取船舶水线长度3％-5％，面积A取船体外形中纵剖面水线以下部分面积的5‰-7‰。

优选地，步骤S11中投影曲线为四点或五点光顺的样条曲线。

优选地，步骤S12中将站位点取在导流罩长度范围内的船体肋位号上。

本发明的改善高速船呆木后方流场的导流罩及其安装方法，增加船舶尾部压力，降低船舶阻力和油耗。船舶计算流体力学结果表明，增加流线型的导流罩后，船舶尾部压力会上升，从而导致船体阻力会降低约2％。因此，在同样的航速下，导流罩的安装可以减少油耗约2％。对于万吨级船舶，在整个船舶运营周期，也就是30年内可降低百万元以上的油耗成本。

本发明的改善高速船呆木后方流场的导流罩及其安装方法，改善船舶尾部流场，消除呆木末端漩涡以及由漩涡引起的空泡。流体力学研究和实船试航均已经证明：呆木末端的漩涡在安装流线型导流罩后大幅度减弱，高速航行产生的空泡几乎消失，大大改善了尾部流场，降低了船舶振动噪声水平。图5和图6为不安装和安装导流罩的呆木后方流场对比，安装导流罩后艉部泄出涡大幅度减弱。

实践证明，流线型的呆木导流罩不仅能提高船舶运营经济性，还可以明显改善船舶尾部振动噪声水平。

综上所述，本发明的改善高速船呆木后方流场的导流罩及其安装方法，形成流线型导流罩，安装在船体上呆木的后方，本发明的有益之处在于，增加船舶尾部压力，降低船舶阻力和油耗；改善船舶尾部流场，消除呆木末端漩涡以及由漩涡引起的空泡；结构简单，工艺难度小，结构和安装强度安全可靠；不仅能提高船舶运营经济性，还可以明显改善船舶尾部振动噪声水平。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。