一种船舶减阻系统及船舶的制作方法

1.本技术涉及领域船用设备和船舶技术领域，尤其涉及一种船舶减阻系统及船舶。


背景技术：

2.近年来，国际国内航运领域对环保的要求日益提高。由于水运的“吨公里”(或吨海里，下同)运费和“吨公里”碳排放的优势，承担了越来越多的国际国内贸易运输。
3.同时，强制执行的国际公约性质的新法规的生效也对航运领域的环保技术提出了新的要求。例如国际海事组织(imo)将于2023年1月1日生效的现有船舶能效指数(eexi)、碳强度指标等级(cii)等航运业减排短期措施。届时不满足最新规定的船舶，就不能获得国际航行的资格。据imo统计，现有国际航行且总吨大于等于400总吨的船舶中，至少有40％不满足上述要求。这些不满足的船舶，要采取相应的节能减排措施才能继续得到船旗国政府授权颁发的证书。
4.另外，船舶燃料价格仍在高位徘徊。据专业统计，全球国际贸易的90％以上的货运都是通过海运来实现的；全球大部分航运企业，60～70％的远洋运输成本是燃料费用。因此在船舶燃料上实现的节约，将非常显著地提高航运企业的经济效益。而区域性的乃至全球性的征收“碳税”也在未来可期。未来，满足imo要求的船舶，节约碳税和在碳排放交易中的收益可能是节能减排环保措施得当的航运企业的新的利润增长点。
5.因此在新生产的船舶以及现有船舶上，用于提高能源效率、实现节能减排的措施具有重要的经济和战略意义。由于水的阻力远比空气阻力以及道路的摩擦阻力要大，因此船舶能源消耗的重要组成部分是用于克服水的阻力。现有技术中的船舶减阻系统虽然可以实现一定程度的减小阻力、提高船舶能源效率的作用，但是这些系统相对独立，并未综合利用船舶本身现有的资源，其本身需要较高的能量消耗，因而实际对船舶综合能耗的降低作用较小。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的以上不足之处，本技术的目的在于提供一种更好地利用船舶本身现有的资源，显著降低船舶综合能耗的船舶减阻系统，以及基于该船舶减阻系统的船舶。
7.为了实现上述目的，本技术提供了以下技术方案。
8.一种船舶减阻系统，用于船舶，包括：混合气产生系统，用于获得包括船舶动力系统的废气的混合气；混合气减阻系统，包括设置于所述船舶的船体内的混合气管路，所述混合气管路连接至所述混合气产生系统，所述混合气管路包括设置于所述船舶的排水表面上的多个排气口，所述排气口用于排出所述混合气实现气泡减阻；控制系统，用于控制所述混合气产生系统和所述混合气减阻系统。
9.在一些实施方式中，所述混合气产生系统包括废气收集装置、蒸汽产生装置和混合气存储装置；所述废气收集装置用于收集船舶动力系统的废气；所述蒸汽产生装置用于
利用所述废气的余热将水汽化为水蒸气；所述混合气存储装置用于暂存包括所述废气和所述水蒸气的混合气；所述蒸汽产生装置和所述混合气存储装置均连接至所述混合气管路。
10.在一些实施方式中，所述废气为包含超标污染物的废气；所述蒸汽产生装置还包括水泵，所述蒸汽产生装置用于将所述水泵提供的水汽化为水蒸气，并在汽化过程中对所述废气进行净化。
11.在一些实施方式中，所述控制系统包括温度传感器，用于感测所述排水表面的水温；所述混合气产生系统和所述混合气减阻系统均设置有保温结构，使所述排气口排出的混合气的温度高于所述水温。
12.在一些实施方式中，所述混合气管路包括混合气总管和舷侧混合气支管；所述舷侧混合气支管连通至所述混合气总管，且沿所述船舶的纵向设置于左右舷侧，并通过排气支管连通至位于舷侧的排气口。
13.在一些实施方式中，所述混合气管路还包括：船底横向支管，沿所述船舶的横向设置于船底，并通过排气支管连通至位于船底的排气口；和/或，甲板横向支管，在具有潜航能力的船舶中横向设置于甲板内侧，并通过排气支管连通至位于甲板的排气口；所述排气支管上设置有第一电磁阀，所述控制系统还用于控制所述第一电磁阀。
14.在一些实施方式中，包括多个设置于不同高度的舷侧混合气支管，每个舷侧混合气支管和所述混合气总管之间设置有第二电磁阀；所述第二电磁阀为可调减压阀，所述控制系统还用于控制所述第二电磁阀。
15.在一些实施方式中，所述控制系统还包括多个压力传感器，所述压力传感器用于感知所述排水表面的水压；当排气口未在水面以下时，连通这些排气口的排气支管上的第一电磁阀关闭；当排气口在水面以下时，所述控制系统控制其中至少部分排气口的对应的第一电磁阀开启；所述控制系统根据所述压力传感器的测量数据控制所述第二电磁阀的输出压力。
16.在一些实施方式中，针对所述船舶的具体参数，所述船舶减阻系统的待优化参数通过cfd数值计算和船模试验数据进行优化，优化目标为船舶综合能耗，所述待优化参数包括排气口的数量、每个排气口的位置、每个排气口的直径、每个舷侧混合气支管的压力中的至少一种。
17.在一些实施方式中，所述待优化参数还包括所述船舶减阻系统的能耗，和/或，所述待优化参数还包括所述排气口的混合气温度。
18.本技术还提供了一种船舶，包括船体和前述的任一种船舶减阻系统；所述船体的排水表面设有排气口，所述船舶减阻系统的混合气管路与所述排气口连接。
19.本技术的各个实施例具有以下技术效果中的至少一种：
20.1.通过利用船舶动力系统的废气将水汽化，并将废气和水蒸气混合构成混合气用于船舶气泡减阻，可利用船舶本身的资源来提高船舶减阻系统的综合效率；
21.2.通过利用水蒸气产生过程对废气进行净化，可在利用低成本燃料的船舶中省去如脱硫塔等净化设备，节省新建船舶的生产成本，或者对现有船舶实现节能减排改造；利用废气的余热还可以提高相关净化反应的速度、相比脱硫塔提高净化过程的效率；
22.3.通过从排气口排出温度较高的混合气，从而提高边界层的温度、降低边界层的粘度、减小船舶阻力；
等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.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间接相连，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，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
43.船舶包括适于在水面或水下航行的船只，其动力系统的能耗主要用于克服水的阻力，因而通过船舶参数的设置，以及设置专门的船舶减阻系统对降低船舶动力系统的综合能耗非常关键。船舶的动力系统通常由燃料提供能源。现有技术的船用设备中，船舶燃料产生的高温废气，除部分用于锅炉经济器和或废气余热蒸汽发生器外，其余没有经过有效利用就全部排放到大气中；船舶蒸汽系统的尾气或废气蒸汽、船舶废弃的冷却水或热水、机舱热风、生活区热风等的余热也通常未经有效利用，就直接集中排放到海水或大气中；船舶各个系统的余热相对分散，没有汇集使用，没有形成综合利用系统；没有应用计算机系统来管理全船余热的有效利用；船舶余热的利用也没有与边界层减阻理论很好地结合，即未综合利用于船舶减阻系统。
44.针对上述问题，本技术的技术思路为：通过汇集和有效管理船舶航行时产生的废气、蒸汽、热水等的余能，并准确地排出到合理的位置，改善船体与海水(本说明书的实施例也适用于淡水，但以海水为例进行说明)的边界层的特性，进而降低船舶的粘性阻力(包括摩擦阻力和粘压阻力)，从而达到在维持航速、主尺度和装货量的前提下，降低船舶综合能耗，达到节能减排效果。
45.另外，本技术还通过结构设计、cfd(计算流体动力学)计算，结合水池模型试验，在对船舶动力与船体线型与推进器优化的过程中，同时对船舶减阻系统的待优化参数进行优化；并经船舶试航和实船运行或船模试验获得实际测量数据来进行验证。结合控制系统来管理船舶减阻系统的运行，以期实现最优化的余热管理和船舶减阻，提高综合能效。同时考虑到船舶减阻系统也有一定的额外能耗，因此也将船舶减阻系统的能耗纳入优化计算过程。
46.船舶采用本技术的船舶减阻系统后，应按照船东和船级社的要求进行试航，对比加装本技术的船舶减阻系统前的试航结果(即新船交船前的试航结果，或其未安装本技术的船舶减阻系统的姊妹船的试航结果)，以确定采用本技术的节能减排效果。船东在安装本技术的船舶减阻系统后，在一段运营时间内进行连续数据统计，可以对比其本船安装本技术的系统前的相当一段时间运行的能耗统计数据，或对比其未安装本技术的船舶减阻系统的姊妹船的实际运行的能耗统计数据，可以客观评价本技术用于实船系统的节能减排效果。以下为本技术的具体实施例。
47.实施一。本实施例为一种船舶减阻系统，用于船舶100，船舶100包括图3所示的货船、舰艇等水上船只和图6所示的潜艇等水下航行器。如图2所示，船舶减阻系统包括混合气产生系统300、混合气减阻系统200和控制系统(图中未示出)，其中混合气产生系统300用于获得包括船舶动力系统的废气的混合气；混合气减阻系统200包括设置于船舶100的船体内的混合气管路，混合气管路连接至混合气产生系统300。如图2和图3所示，混合气管路包括设置于船舶100的排水表面上的多个排气口201，排气口201用于排出混合气实现气泡减阻。控制系统用于控制混合气产生系统300和混合气减阻系统200。
48.其中船舶动力系统为常见的需要利用燃料的动力系统，包括传统的利用汽油、柴油、重油的内燃机动力和燃料锅炉等系统；还包括各种新能源动力系统，例如氨燃料动力、甲醇动力、混合动力、混和燃料、合成燃料、固体氧化物燃料电池动力、氢燃料电池动力乃至氢燃料内燃机动力等。其废气通常直接排入大气，或者经净化处理后排出大气。除了动力系统的废气之外，如前文所述，混合气产生系统300还可收集船舶100上日常运行中产生的其他废气。本技术通过船舶100上的废气及其余热，产生可以用于船舶减阻的混合气，并经混合气减阻系统200的排气口201排出，利用气泡减阻效应降低船舶100的航行阻力，降低了船舶综合能耗。为了防止混合气产生系统300对船舶动力系统产生背压，可在收集废气的管路上设置单向阀和泵送装置。混合气减阻系统200也可包括现有技术提供的气泡发生装置以实现特定参数的微气泡。
49.实施例二。在实施例一的基础上，如图1所示，本实施例提供一种混合气产生系统300的具体结构。本实施例的混合气产生系统300包括废气收集装置310、蒸汽产生装置320、压缩机325和混合气存储装置330。废气收集装置310用于收集船舶动力系统的废气，可由和废气管道连接的阀门和泵送装置及必要的管道构成。蒸汽产生装置320用于利用废气的余热及船舶100的其他各种余热将水汽化为水蒸气，并将废气和水蒸气混合构成混合气；所用到的水可以是船舶100上现有用水管道提供的水，例如生活用的热水，也可以是船舶100上现有的泵送系统提供的海水。混合气存储装置330用于暂存混合气，例如可采用高压储罐等压力容器。蒸汽产生装置320和混合气存储装置330均通过管道和阀门连接至混合气减阻系统200的混合气管路。
50.蒸汽产生装置320可采用类似现有技术提供的燃气蒸汽发生器的结构，利用高温废气将水汽化，并将水蒸气和废气混合形成混合气，混合气经压缩机325加压后暂存至混合气存储装置330，或直接用于混合气减阻系统200。如图2所示，蒸汽产生装置320和混合气存储装置330分别通过第三电磁阀211连接至混合气减阻系统200的混合气总管210，控制系统根据需要控制两个第三电磁阀211，使蒸汽产生装置320直接向混合气减阻系统200提供温度较高的混合气，或者使混合气存储装置330向混合气减阻系统200提供暂存的混合气。
51.混合气存储装置330可以缓冲船舶动力系统的废气产生量的波动，使船舶减阻系统适应船舶100的各种工况。例如船舶100在加速过程中，其动力系统会全功率运行，产生大量的废气，而此时船速并不快，无需排出大量的混合气进行减阻，此时即可将多余的混合气暂存于混合气存储装置330，待后续低功率巡航过程中用于向混合气减阻系统200补充供气。
52.作为本实施例的变化方式，最简单的混合气产生系统300可以仅由泵送装置构成，将船舶动力系统的废气以及其他废气如废蒸汽等收集泵送至混合气减阻系统200即可。对于排水表面在高度方向上的尺寸较小的船舶100，例如扁平船体的船舶100，由于吃水深度小，排气口201处需要克服的水压不高，在废气收集装置310提供的压力即可满足混合气减阻系统200的压力要求时，可以省去压缩机325。
53.实施例三。在以上实施例的基础上，本技术的船舶动力系统的废气为包含超标污染物的废气；蒸汽产生装置320还包括水泵，蒸汽产生装置320用于将水泵或者船舶100本身具有的泵送系统提供的水汽化为水蒸气，并在汽化过程中对所述废气进行净化。
54.利用传统燃料的船舶动力系统的废气通常包含多种有毒有害污染物，如粉尘、
sox、nox、hc等，其中又以粉尘和含硫污染物为主。特别是部分价格比较便宜的重油的含硫量较高，更会在废气中产生较多的含硫污染物。例如以2022年7月新加坡船用燃油市场的统计数据为例，0.1％含硫量的船用重油平均比0.5％含硫量的船用重油贵超过600美元/吨。但是含硫量较高的燃料产生的废气中含硫污染物的浓度也较高，因此通常需要对废气进行净化，以满足本技术背景技术部分提到的各种环保要求，例如设置开式脱硫塔，来去除废气中的粉尘和含硫污染物。而采用本技术的船舶减阻系统时，可利用蒸汽产生装置320对废气进行净化，在水蒸气和废气混合时将粉尘吸收、将含硫污染物如二氧化硫等转化为易溶于水的亚硫酸盐等物质实现对废气的净化。利用废气的高温余热，还可以加快净化过程中的相关反应的速度，提高净化效率。
55.可见利用本技术提供的船舶减阻系统，不仅可以减少船舶100的航行阻力，而且可以净化船舶动力系统的废气，在提高船舶综合能效的同时提获得经济和社会效益。
56.实施例四。在以上各实施例的基础上，本实施例的控制系统包括温度传感器，用于感测排水表面的水温。同时，混合气产生系统300和混合气减阻系统200均设置有保温结构，使排气口201排出的混合气的温度高于水温。优选地，使排气口201排出的混合气的温度高于水温30℃以上，甚至高于水温50℃以上。其中保温结构可包括设置于各种管路外部的绝热层、设置于混合气存储装置330的绝热结构等，还可以包括设置于管路上或者混合气存储装置330内的加热装置或余热利用装置，以进一步保证混合气的温度。
57.为了说明本实施例的技术效果，以下说明船舶减阻系统的工作原理。其中根据成因分类，船舶100在海水(也适用于淡水，本说明书以海水为例进行说明)中的阻力主要可分为：
58.摩擦阻力rf：是由于水的粘性、船体与水形成的边界层而产生的；
59.兴波阻力rw：是由于兴波引起船体周边压力分布的改变而产生的；
60.粘压阻力r
pυ
：是由于水存在粘性、而船体表面曲度会沿船长方向发生变化，因而会产生边界层分离和旋涡，进而改变沿船体表面的压力分布，造成船尾部相对艏部出现压力下降而产生的阻力。
61.各种阻力占不同船型的船舶总阻力的比例略有不同，但一般可以认为符合表1的占比范围。
62.表1.各种阻力的占比
[0063][0064]
通常傅氏数fr＜0.20的船为低速船，目前大部分民用运输船舶都属于低速船类。一般来说高速船的定义为傅氏数fr＞0.35。通常认为兴波阻力是傅氏数fr的函数。傅氏数fr又和船速、船长等参数相关。而摩擦阻力rf和粘压阻力r
pυ
因与水的运动粘性系数有关，因此又被统称为粘性阻力。粘性阻力与海水的密度ρ、船长l、船速vs和水的运动粘性系数υ有关。即：r
υ
＝φ(ρ,l,vs,υ)。其中r
υ
为粘性阻力；vs为船速，单位为m/s；l为船长，单位为m；υ为海水的运动粘性系数，单位为m2/s；海水密度ρ的单位为kg/m3。
[0065]
学术界通常认为，粘性阻力是雷诺数的函数。雷诺数re的定义为：re＝vs*l/υ，其中vs为船速，l为船长，υ为海水的运动粘性系数。应用相似理论，当雷诺数相同时，两形似物体粘性阻力系数必相等。当雷诺数相同时，船模与实船的摩擦阻力系数必相等。因此可以通过水池模型试验，给出船舶阻力以及推算出船舶的螺旋桨收到功率，进而在给定的主机功率下，预报船舶的航速。
[0066]
除了使用水池模型试验的方法来间接得到船舶阻力外，学术界也通过计算摩擦阻力系数cf来估算船舶的摩擦阻力rf：rf＝ρvs2cfs/2；其中ρ为海水的密度，vs为船速，cf为摩擦阻力系数，s为船体湿表面积即排水表面的面积。
[0067]
全球造船与航海权威学术组织国际水池大会(ittc)给出cf的计算公式为：cf＝0.075/(lgre-2)2；而水的密度ρ和运动粘性系数υ随着温度的升高而降低。
[0068]
根据上述理论，可以理解本技术的节能减排效果。减少船舶阻力的方法有很多。本技术重点讨论涉及降低摩擦阻力所采用的“边界层控制”的方法。根据ittc的公式，我们可以得出以下结论：假定船长、船体湿表面积和航速维持不变；海水含盐量为3.5％，当边界层海水温度从20℃增加到平均50℃时，其密度ρ降低了1.06％，运动粘性系数υ降低了44.85％。海水温度20℃时，边界层的雷诺数re为0.18。那么，当边界层温度上升到50℃时，边界层的雷诺数re为0.099。
[0069]
此时摩擦阻力系数cf和摩擦阻力rf的变化如表2所示(各参数的单位同上)。
[0070]
表2.不同温度下的摩擦阻力
[0071]
20℃50℃相对20℃减少70℃相对20℃减少ρ1024.91014.01.06％1003.52.09％υ1.0770.59444.85％0.44159.05％re0.180.09944.85％0.07370559.05％cf0.00990.008316.47％0.00764323.23％rf17.36％24.83％
[0072]
其中的海水的密度ρ和运动粘度系数υ来源于麻省理工学院的seawater thermophysical properties library在2017公布的数据。
[0073]
跟据已有的相关水池试验研究结论，气泡减阻(或空气滑膜减阻等类似技术方案)的减阻效果达20％～30％。综上，采用本技术的船舶减阻系统，以国际国内航运中能耗占比最大的货运船等低速船为例，估算达到以船舶动力系统的综合能耗计的总减阻效果至少为：
[0074]
最低(边界层海水温度为50℃、摩擦阻力占总阻力70％、气泡减阻效果为20％)：1-(1-17.36％*70％)*(1-20％*50％*70％)＝18.30％；
[0075]
最高(边界层海水温度为70℃、摩擦阻力占总阻力80％、气泡减阻效果为30％)：1-(1-24.83％*80％)*(1-30％*50％*80％)＝29.48％；
[0076]
上述计算没有记入因边界层性质优化后粘压阻力的减少量，且假定边界层得到改善的船体湿表面积为船舶总湿表面积的50％，因而节能效果是保守的估算。本技术采用的使用高温废气及水蒸气的混合气，并加压排出船体外板的方案，将比单纯吸入外界空气再加压排出船底的方案，可更大幅度地节省能源。
[0077]
考虑不同船型，用于运行本技术的船舶减阻系统的电力可以通过增设额外的专用
发电机组提供或完全使用设置在尾轴的轴带发电机来提供，或采用结合上述两个方案的混合电力供应。可根据实船具体情况设计，并经过船级社审批后实施。对不同船舶类型，需要增加一定的电力消耗或其他形式的能耗来实施本技术的船舶减阻系统，这些电力消耗的用途包括但不限于：废气和蒸汽尾气的强制吸入、提升一定量的海水、调动热水、海水、高温混合汽加压排出、阀门等附件的控制、相关控制系统的运行所需电力，以及各种管路系统的流程损失等。典型地，这些电力消耗等因素会使船舶减阻系统的总减阻效果降低约5％。
[0078]
因此，在保持原船型、运行海况和载货量不变的前提下，维持原设计航速所需动力系统的综合能耗至少可以净降低13.3％以上(18.3％-5％＝13.3％)。
[0079]
实施例五。在以上各实施例的基础上，如图7至图10所示，参见图2的工艺流程图，本实施例提供一种混合气减阻系统200的混合气管路的具体结构设置。混合气管路包括混合气总管210和舷侧混合气支管220；舷侧混合气支管220连通至混合气总管210，且沿船舶100的纵向设置于左右舷侧靠近舷侧外板110的船舱内，并通过排气支管250连通至位于舷侧的排气口201。
[0080]
如图9所示，排气支管250和舷侧混合气支管220连通；如图2所示，舷侧混合气支管220与混合气总管210连通，并进一步通过混合气总管210连通至混合气生成系统300的蒸汽产生装置320或混合气存储装置330。如图8所示，舷侧混合气支管220可穿设于船体的肋板130上，不仅可以解决舷侧混合气支管220的布置问题，还可配合肋板130加强船体的结构强度，同时和多个排气支管250一起，不仅可以弥补排气口201的开设对舷侧外板110的弱化效果，反而可以加强舷侧外板110的刚度。
[0081]
当舷侧外板110为单板结构时，即船体未设置双层结构时，需要在肋板130之间设置保护结构，对舷侧混合气支管220等管路进行保护。例如部分单舷侧结构的散装货船或中小型船只。
[0082]
实施例六。在实施例五的基础上，如图8所示，本实施例的混合气管路还包括船底横向支管240，沿船舶100的横向设置于船底，并通过排气支管250连通至位于船底的排气口201。如8和图10所示，每个船底横向支管240可连接至多个排气支管250及多个排气口201，并通过船底混合气支管230连接至混合气总管210，或者船底横向支管240也可直接连接至混合气总管210。其中排气支管250连接至船底外板120，船底混合气支管230穿设于肋板130。当船底未设置底舱，仅为单层结构时，也需要在肋板130之间设置保护结构对船底的混合气管路进行保护。
[0083]
如图6所示，在用于潜艇等可在水下航行的船舶100时，还可在甲板的内侧沿横向设置甲板横向支管，并通过排气支管250连通至位于甲板的排气口201。当潜艇的船体大致呈圆柱形时，其甲板、舷侧、船底可按各四分之一的面积进行划分。
[0084]
参见图2，每个排气支管250上设置有第一电磁阀251，例如电磁截止阀、电磁流量阀或电磁调压阀，控制系统还用于控制这些第一电磁阀251。当潜艇在水面航行时，控制系统通过控制第一电磁阀251使位于甲板的排气口201均关闭。
[0085]
对于连接至舷侧混合气支管220的排气口201，以及连接至船底横向支管240的排气口201，也可在对应的排气支管250上设置第一电磁阀251，以实现对排气状态的灵活控制。
[0086]
实施例七。在实施例五或六的基础上，如图8所示，本实施例包括多个设置于不同
高度的舷侧混合气支管220。如图2所示，每个舷侧混合气支管220和混合气总管210之间设置有第二电磁阀221；第二电磁阀221为可调减压阀。控制系统根据船舶100的载重状态和舷侧混合气支管220的高度，对每个第二电磁阀221进行调节，使位置较低的舷侧混合气支管220内的气压较高、位置较高的舷侧混合气支管220的气压较低，以克服不同高度(或吃水深度)的水压。
[0087]
如图8所示，还可通过控制第一电磁阀251，在船舶100轻载状态下关闭位置较高的排气口201。当然也可以关闭部分位于水面下的排气口201。其中第一电磁阀251的开启或者关闭、第二电磁阀221的调节既可以通过人工操作完成，也可以结合传感器技术实现自动控制。
[0088]
实施例八。在以上实施例的基础上，本实施例的控制系统还包括多个压力传感器，用于感知排水表面的水压，可在船艏位置根据多个舷侧混合气支管220的不同高度设置多个压力传感器。压力传感器不仅可以监测排气口201需要的最小排气压力，还可以感知水面的位置，从而判断各个舷侧混合气支管220相对于水面的位置。当排气口201未在水面以下时，或者很接近水面时，连通这些排气口201的排气支管250上的第一电磁阀251关闭；当排气口201在水面以下时，控制系统控制其中至少部分排气口201的对应的第一电磁阀251开启。同时，控制系统根据压力传感器的测量数据控制第二电磁阀221的输出压力。
[0089]
由于潜艇上的排气口201可全周向布置，因此当排水表面上布置有压力传感器时，可实现排气口201的自动开闭控制。当每个舷侧混合气支管220均设置有第二电磁阀221，且潜艇的每个甲板横向支管也设置有控制阀的时候，也可不设置第一电磁阀251，而是通过这些阀门来控制相关排气口201的开闭。
[0090]
实施例九。在以上各实施例的基础上，本实施例提供船舶减阻系统的待优化参数的优化方法。具体地，将船舶100的具体参数，例如船舶动力系统的参数、水线面系数、中横剖面系数、方形系数、长宽比等参数作为已知数据，将船舶减阻系统的待优化参数通过cfd数值计算和船模试验数据进行优化。优化目标为船舶综合能耗或船舶综合能效。待优化参数包括排气口201的数量、每个排气口201的位置、每个排气口201的直径、每个舷侧混合气支管220的压力中的一个或多个。
[0091]
例如在排气口201均匀布置的特殊情形，如图4和图5所示，可以包括具体的需要优化的结构参数，如位置在最靠后的排气口201和船体中线102的距离l1和l3(在船体中线102之前时距离为正，如图4中的l1；在船体中线102之后时距离为负，如图5中的l3)、排气口201之间的纵向间距l2或l4、排气口201之间的横向距离(如图5)或高度方向的距离(如图4)、混合气总管210的直径、舷侧混合气支管220的直径、排气支管250的直径等等。另外还可以将混合气产生系统300的参数如压缩机325的功率、废气收集装置310的具体设置、蒸汽产生装置320的具体参数纳入已知数据或待优化参数范围内。
[0092]
另外如图1所示，且参见实施例四的说明，本技术的混合气产生系统300的废气收集装置310的泵送装置、蒸汽产生装置320设置的水泵等装置、各种管路和控制系统等会消耗少量的电能或其他能源，压缩机325会消耗较多的能源；当管路和混合气存储装置330等保温结构还包括加热装置或余热利用装置时，这些装置也会消耗额外的能源；这些船舶减阻系统的能耗也可作为待优化参数。一般来说，船舶减阻系统的能源投入越多，船舶减阻系统的减阻效果越好，但是随着能源投入的增大，其边际效益会减弱，因此应当作为待优化参
数。本技术通过对船舶减阻系统的待优化参数的迭代优化，可以保证实现实施例四中说明的船舶综合能耗的13.3％的最低优化效果，并争取达到超过20％的更佳的优化效果。
[0093]
实施例十。如图3和图6所示，本实施例为基于以上任一实施例的船舶减阻系统的船舶100，包括船体和船舶减阻系统。船体的排水表面设有排气口201，船舶减阻系统的混合气管路与这些排气口201连接，用于实现气泡减阻。
[0094]
上述仅为本技术的较佳实施例及所运用的技术原理，在不脱离本技术构思的情况下，还可以进行各种明显的变化、重新调整和替代。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点和功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神的情况下进行各种修饰或改变。在不冲突的情况下，以上实施例及实施例中的特征可以相互组合。

技术特征：
1.一种船舶减阻系统，用于船舶，其特征在于，包括：混合气产生系统，用于获得包括船舶动力系统的废气的混合气；混合气减阻系统，包括设置于所述船舶的船体内的混合气管路，所述混合气管路连接至所述混合气产生系统，所述混合气管路包括设置于所述船舶的排水表面上的多个排气口，所述排气口用于排出所述混合气实现气泡减阻；控制系统，用于控制所述混合气产生系统和所述混合气减阻系统。2.根据权利要求1所述的船舶减阻系统，其特征在于，所述混合气产生系统包括废气收集装置、蒸汽产生装置和混合气存储装置；所述废气收集装置用于收集船舶动力系统的废气；所述蒸汽产生装置用于利用所述废气的余热将水汽化为水蒸气；所述混合气存储装置用于暂存包括所述废气和所述水蒸气的混合气；所述蒸汽产生装置和所述混合气存储装置均连接至所述混合气管路。3.根据权利要求2所述的船舶减阻系统，其特征在于，所述废气为包含超标污染物的废气；所述蒸汽产生装置还包括水泵，所述蒸汽产生装置用于将所述水泵提供的水汽化为水蒸气，并在汽化过程中对所述废气进行净化。4.根据权利要求1所述的船舶减阻系统，其特征在于，所述控制系统包括温度传感器，用于感测所述排水表面的水温；所述混合气产生系统和所述混合气减阻系统均设置有保温结构，使所述排气口排出的混合气的温度高于所述水温。5.根据权利要求1至4中任一项所述的船舶减阻系统，其特征在于，所述混合气管路包括混合气总管和舷侧混合气支管；所述舷侧混合气支管连通至所述混合气总管，且沿所述船舶的纵向设置于左右舷侧，并通过排气支管连通至位于舷侧的排气口。6.根据权利要求5所述的船舶减阻系统，其特征在于，所述混合气管路还包括：船底横向支管，沿所述船舶的横向设置于船底，并通过排气支管连通至位于船底的排气口；和/或，甲板横向支管，在具有潜航能力的船舶中横向设置于甲板内侧，并通过排气支管连通至位于甲板的排气口；所述排气支管上设置有第一电磁阀，所述控制系统还用于控制所述第一电磁阀。7.根据权利要求6所述的船舶减阻系统，其特征在于，包括多个设置于不同高度的舷侧混合气支管，每个舷侧混合气支管和所述混合气总管之间设置有第二电磁阀；所述第二电磁阀为可调减压阀，所述控制系统还用于控制所述第二电磁阀。8.根据权利要求7所述的船舶减阻系统，其特征在于，所述控制系统还包括多个压力传感器，所述压力传感器用于感知所述排水表面的水压；当排气口未在水面以下时，连通这些排气口的排气支管上的第一电磁阀关闭；当排气口在水面以下时，所述控制系统控制其中至少部分排气口的对应的第一电磁阀开启；
所述控制系统根据所述压力传感器的测量数据控制所述第二电磁阀的输出压力。9.根据权利要求5所述的船舶减阻系统，其特征在于，针对所述船舶的具体参数，所述船舶减阻系统的待优化参数通过cfd数值计算和船模试验数据进行优化，优化目标为船舶综合能耗，所述待优化参数包括排气口的数量、每个排气口的位置、每个排气口的直径、每个舷侧混合气支管的压力中的至少一种。10.根据权利要求9所述的船舶减阻系统，其特征在于，所述待优化参数还包括所述船舶减阻系统的能耗，和/或，所述待优化参数还包括所述排气口的混合气温度。11.一种船舶，其特征在于，包括船体和权利要求1至10中任一项所述的船舶减阻系统；所述船体的排水表面设有排气口，所述船舶减阻系统的混合气管路与所述排气口连接。

技术总结
本申请提供了一种船舶减阻系统及船舶。船舶减阻系统的混合气产生系统用于获得包括船舶动力系统的废气的混合气；混合气减阻系统包括设置于船体内的混合气管路，混合气管路连接至混合气产生系统，混合气管路具有设置于排水表面上的多个排气口，排气口用于排出高温混合气实现气泡减阻。船舶减阻系统还包括控制系统。混合气产生系统包括废气收集装置、蒸汽产生装置和混合气存储装置；废气收集装置用于收集船舶动力系统的废气；蒸汽产生装置利用废气的余热将水汽化为水蒸气；混合气存储装置用于暂存混合气。船舶减阻系统的结构参数和能耗以船舶综合能耗为目标进行优化。船舶包括上述船舶减阻系统。本申请可显著降低船舶的综合能耗。耗。耗。


技术研发人员：孙义刚 孙茂陞
受保护的技术使用者：上海锱碳节能环保技术有限公司
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/4/28