用于操作减小摩擦阻力的船方法与流程

1.本发明涉及一种用于操作减小摩擦阻力的船的方法，该方法通过向船的主体的外表面供应微小气泡(微气泡)来减小船的主体和水之间的摩擦阻力。


背景技术：

2.本发明人提出了专利文献1至4是涉及使用微小气泡减小摩擦阻力的船。在这些专利文献1至4中公开的减小摩擦阻力的船具有共同的系统，由此在船的主体上形成开口，之后，微小气泡产生单元安装在该开口中，以经由管道向微小气泡产生单元供应空气。
3.特别地，根据微小气泡产生单元的结构，在开口中形成待紧固的板和将空气从管道抽取到该板的窗口部分，此外，用于产生负压以抽取空气的翼安装在与窗口部分相对的位置。
4.根据上述结构，随着船的航行，在翼中产生负压，空气经由该负压从窗口部分抽取到空气-液体混合部分，并且由于在该空气-液体混合部分中的开尔文-赫尔姆霍尔茨(
ケルビン
－
ヘルムホルツ
)不稳定现象而产生微小气泡，允许通过用混合有这些微小气泡的海水覆盖船的主体来减小航行期间与水的摩擦阻力。
5.根据上述专利文献1至4中公开的方法，在平流过程中，注入到船的主体的侧面的湍流边界层中的气泡的分布产生变化，在下游侧形成特定的密度结构，从而在时间空间上改变湍流边界层中的局部空隙率。
6.非专利文献1记录了采用水平通道的实验证实了该空隙率的时间空间变化促进了摩擦阻力的减小，同时通过间歇地将气泡注入水平通道湍流中，摩擦阻力的减小体积随着相同的平均空隙率而增加。
7.此外，专利文献5中描述的用于操作减小摩擦阻力的船的方法描述了间歇地向气泡产生构件供应空气，以便提高减小摩擦阻力的效果。
8.这里，图5示出了指示安装有微小气泡产生单元的集装箱船的真实航行的照片，其中海洋的起伏在海洋线上较大。在暴风雨天气，如图5(a)所示，由于横摇，船的主体倾斜大约30
°
。此外，如图5(b)所示，船的主体的前部处的左侧(或右侧)上的微小气泡产生单元通过横摇和纵摇的复合运动暴露在海面上。
9.换句话说，即使空气从暴露在海面上的微小气泡产生单元中喷出，也不会形成有助于减小摩擦的边界层，从而导致浪费能量。上述现有技术不能改善该缺点。
10.专利文献6公开了一种用于操作空气循环型船的方法，用于在形成边界层的同时航行船，在边界层中，空气和液体通过来自安装在船的主体上的空气供给口的空气气泡在船主体的表面和海水之间混合。具体公开了检测船的主体的横摇和纵摇的角度，之后根据该检测值确定空气供应口是否位于水面以下，并且阻止向确定为不位于水面以下的空气供应口供应空气。
11.引用列表
12.专利文献
13.专利文献1：jp 4183048 b
14.专利文献2：jp 4212640 b
15.专利文献3：jp 4286313 b
16.专利文献4：jp 5931268 b
17.专利文献5：jp 2011-163774 a
18.专利文献6：国内再公布的pct专利申请2015/198613
19.非专利文献
20.非专利文献1：“improvement in the reduction rate of friction resistance of high-speed channel turbulence by void wave generation”2019年6月20日第24届电力与能源技术研讨会论文集。


技术实现要素：

21.技术问题
22.根据专利文献6，可以改善专利文献1至5中未解决的问题。但根据实际航行，船的主体总是通过横摇和纵摇实现前后、左右和垂直运动。此外，变化范围根据气泡产生单元在船的主体上的安装位置而不同。此外，即使气泡产生单元(空气供应口)被确定为位于水面上方并且空气供应被阻断，由于船的主体总是在移动，可以想象在空气供应阻断的点处船的主体位于海面下方。
23.问题的解决方案
24.当船受到海浪等引起的扰动时，在航行过程中，会产生横摇和纵摇现象。作用在船上的扰动包括当船在相对平静的海面上航行时由海浪引起的周期性扰动和在暴风雨天气中的非周期性扰动。随着周期扰动，具有几乎相同模式的横摇和纵摇现象被重复。此外，对于非循环扰动，几乎相同的模式不会重复；然而，当将任意点处的模式与该点之前和之后的模式进行比较时，它们是相似的模式，尽管已经比循环扰动中的模式改变得更多。
25.换句话说，可以说横摇和纵摇现象的连续模式不会根据航行条件在某一点迅速改变。
26.本发明是基于上述知识而产生的。换句话说，根据本发明的用于操作减小摩擦阻力的船的方法，在航行过程中，根据前一个横摇和纵摇模式预测下一个横摇和纵摇模式，根据该预测的横摇和纵摇模式产生每个微小气泡产生单元的预测的垂直位置模式，并且微小气泡产生单元将在多个微小气泡产生单元中的下一次横摇和纵摇时位于海面上方，该微小气泡产生单元根据该预测的垂直位置模式和基于负载能力的吃水线高度进行预测，从而根据当前微小气泡产生单元将位于海面上方的预测时间关闭用于向当前微小气泡产生单元供应空气的阀。
27.由于在空气从阀到微小气泡产生单元的运动中存在时间延迟，所以可以在考虑该时间延迟的情况下运行阀。
28.本发明对于涉及从微小气泡产生单元间歇(脉动)排放空气的系统特别有效。为了间歇地向微小气泡产生单元供应空气，除了通过使用隔膜阀、蝶阀等控制开/关阀之外，可以考虑将隔膜布置在集管等上的结构。
29.本发明的有利效果
30.根据本发明，由于主动控制，通过船的主体的横摇和纵摇运动，空气仅供应到位于水面下方的气泡产生单元，因此能量损失减少。特别地，当间歇地供应空气时，在船的主体和海水之间形成的边界层上的气泡比率(空隙率)的静态状态由于时间流逝和沿着船的主体的向后运动而延迟，以保持湍流状态，从而使得可以进一步增加减摩效果。
附图说明
31.图1是应用本发明方法的减少摩擦阻力的船的侧视图；
32.图2是空气管路的示意图；
33.图3是显示船的主体因横摇而倾斜的状态的视图；
34.图4是显示了由横摇和纵摇的复合运动引起的微小气泡产生单元的垂直位置变化与标准水线之间的关系的图标；
35.图5(a)是显示了一艘安装有微小气泡产生器的船在公海航行时倾斜的情况的照片，而图5(b)是显示了该船在公海中航行时的船头的照片。
具体实施方式
36.以下，将参考附图描述本发明的实施例。如图1所示，喷射微小气泡的多个微小气泡产生单元1安装在减小摩擦阻力的船的侧面和底部。该微小气泡产生单元1由形成在船的主体的侧面和底部的开口固定，空气或压缩空气通过安装在船的主体内的管道供应。
37.图2显示了向微小气泡产生单元1供气的供气系统示例，其中空气通过管道3从供气源2(例如压缩机)供应至集管4a、4b、5、6a、6b。空气从集管4a、4b供应至船的主体的左侧的微小气泡产生单元1，而集管4a连接至位于相同高度相邻位置的多个微小气泡产生单元1。
38.空气从集管5供应至船底主体的微小气泡产生单元1，而空气则从集管6a、6b供应至船身左侧的微小气泡产生单元1。空气可绕过集管直接供应至微小气泡产生单元1。
39.流量控制阀7和开关阀8安装在通向每个集管的管道3上，而开关阀8由控制器9控制。在图中，开/关阀8安装在集管的正前方；然而，它可以设置在集管和每微小气泡产生单元1之间。
40.当船航行时，船总是受到波浪的影响，重复横摇和纵摇，使船处于由这种横摇和纵摇组成的运动中。因此，如图3所示，微小气泡产生单元1部分位于水面之上。
41.控制器9向确定为位于海水表面上方的微小气泡产生单元1所连接的集管发送关闭开/关阀8的信号，同时向确定为位于水面下方的微小气泡产生单元1所连接的集管发送间歇地打开和关闭开/关阀8的信号。间歇地打开和关闭阀的信号优选地具有小于几赫兹的频率。
42.此外，不是间歇性地打开和关闭开/关阀8，而是允许从微小气泡产生单元1中喷射的空气通过在集管上布置隔膜10等来产生脉冲。
43.图4是说明用于确定控制器9中的微小气泡产生单元是否位于海水表面上方的方法的图。对每个微小气泡产生单元1进行这种确定。
44.首先，从横摇角和纵摇角测量每个微小气泡产生单元的时间垂直位置。测量的时间垂直位置的变化由曲线表示。
45.此外，在图4中，高度为0的水平线表示基于负载能力的水线高度。当负载能力小时，水线高度向下移动，以便将更多的微小气泡产生单元定位在海水表面上方。另一方面，当负载能力大时，吃水线高度向上移动，以便在海水表面下定位更多的微小气泡产生单元。
46.在图4中，垂直位置的变化曲线的实线区域和虚线区域之间的边界部分是当前时间，其中在该边界部分左侧的实线区域指示实际的通道垂直位置，而右侧的虚线区域指示由此预测的垂直位置。
47.换句话说，横摇和纵摇很大程度上取决于天气等的变化，等；然而，当限制在极短的时间内，横摇和纵摇以几乎相同或相似的模式重复。因此，如果已知前一个横摇和纵摇的模式，也可以预测随后的下一个模式。这同样适用于从横摇和纵摇角度计算的微小气泡产生单元的垂直位置变化模式。
48.此外，根据本发明，测量每个微小气泡产生单元的垂直位置变化，从而预测当前时间之后的垂直位置变化，因为垂直位置变化根据每个微小气泡产生单元的安装位置而不同。随后，将预测的垂直位置变化与吃水线高度进行比较，然后预测海面下的微小气泡产生单元将在海面上的时间或者海面上的微小气泡产生单元将在海面下的时间，并且将开/关阀8切换到该时间。
49.此外，考虑到将空气通过阀8导入微小气泡产生单元所需的时间，阀8的切换时间最好固定在该时间内。
50.作为微小气泡产生单元的结构，可以考虑喷射空气的开口安装在船的主体上的结构，并且在航行过程中产生负压的翼构件布置在该开口的外侧，允许通过负压从开口中抽取的空气通过空化效应在水中产生微小气泡。然而，微小气泡产生单元并不具体限于此。
51.附图标记
52.1微小气泡产生单元；2供气源；3管道；4a、4b、5、6a、6b集管；7流量控制阀；8开/关阀；9控制器。

技术特征：
1.一种用于操作减小摩擦阻力的船的方法，其用于在形成边界层的同时航行，在边界层中，空气和液体通过来自安装在船的主体上的多个微小气泡产生单元的气泡在船的主体表面和海水之间混合，其中下一个横摇和纵摇模式是从导航期间的前一个横摇和纵摇模式预测的，每个微小气泡产生单元的预测垂直位置模式是从所述预测的横摇和纵摇模式创建的，并且在多个微小气泡产生单元中的下一个横摇和纵摇时将在海面上方的微小气泡产生单元，当根据当前微小气泡产生单元预测为在海面上方的时间关闭用于向当前微小气泡产生单元供应空气的阀，并且在空气从当前阀移动到微小气泡产生单元期间，安装在用于向预测为在海面上方的微小气泡产生单元供应空气的通道中的阀被提前关闭时，根据所述预测的垂直位置模式和基于负载能力的吃水线高度来预测。2.根据权利要求1或2所述的用于操作减小摩擦阻力的船的方法，其中，所述空气从微小气泡产生单元间歇地排出。

技术总结
问题：提供一种用于进一步减小摩擦阻力的减小的摩擦阻力的船的方法。解决方案：根据气候的变化等横摇和纵摇变化很大，然而，当限制在极短的时间内，横摇和纵摇以几乎相同或相似的模式重复。因此，如果理解了前一次横摇和纵摇的模式，也可以预测随后的模式。这类似于从横摇和纵摇角度计算的微小气泡产生单元的垂直位置变化模式。此外，垂直位置变化也根据每个微小气泡产生单元的安装位置而不同，因此本发明测量每个微小气泡产生单元的垂直位置变化，同时也预测当前时间和之后的垂直位置变化。将预测的垂直位置变化与吃水线高度进行比较，同时预测海面下的微小气泡产生单元将在海面上的时间或海面上的微小气泡产生单元将在海面下的时间，并在此时切换开/关阀8。并在此时切换开/关阀8。并在此时切换开/关阀8。


技术研发人员：高桥义明
受保护的技术使用者：吉尔斯怀普私人有限责任公司
技术研发日：2021.03.12
技术公布日：2023/5/11