專利名稱：利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及減少船體與水摩擦阻力的方法，尤其涉及一種依船體的全長、
航速及吃水深度等參數(shù)，而在船體前緣的吃水線(Water Level)下方預(yù)定位置 釋出氣體，做有利的干擾，使與船體接觸的水面降低其平均密度(p)，而所 釋出的氣體在高壓區(qū)可以降低水對船殼的壓力，在低壓區(qū)可以減少水對船殼 的吸力，而具有雙重功效的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的 方法。
背景技術(shù)：
一般的船體包括含有動力的船只、軍艦、航空母艦、郵輪、貨輪、油輪、 游艇、水上摩托車、模型船、水上飛機(jī)以及無動力的鉆油平臺、駁船等。
由于各種船體因功能性不同，其型體的設(shè)計也不相同，例如軍艦要求 速度快，所以其造型是狹長的流線型，故其承載量及吃水量相對降低。而商 船要求承載量及吃水量大，故其造型是寬廣型，但速度相對降低，這是水(包 含海水及淡水，以下全部以"水"統(tǒng)稱)的阻力是阻礙船只航行速度的主因。
如圖1所示，為一種郵輪20的立體圖，圖2、圖3則分別為其側(cè)視圖及 俯視圖。這種商用郵輪的長度(L) 一般都有數(shù)百公尺(m)，梁寬(B)約60至 70公尺(m)，而其吃水深度(D)則與是否滿載有關(guān)， 一般約15至25m左右。所 以，這種大型商船，其與水的接觸面積是很大的，由流體力學(xué)(Fluid Mechanics)原理，摩擦阻力的計算公式FD=CDA'/2 p U2，
其中CD(drag coefficient):為阻力系數(shù)；
A:是與流體的接觸總面積； p :流體密度； U:航速(m/s)。
如將本實(shí)施例的郵輪20的船殼30模擬成一個與海水接觸的平板，其長 (L): 360m，梁寬(B): 70m，吃水深度(D)25m。在l(TC海水中以13節(jié)的速度 航行時，則能以Fd二CdA'/2pIJ2的公式，來算出該船殼30的表面摩擦阻力，在 Purdue University (普波大學(xué))Robert W. FOX等教授所著的INTRODUCTION TOFLUID MECHANICS(Sixth Edition)乙書中，曾以上述(L)、 (B) 、 (D)及(U)數(shù) 據(jù)計算出F。的數(shù)值，其中航速是13節(jié)侮小時的海里數(shù))，所以
航速U二13nm/hrX6076ft/nmX0. 305m/ ft Xhr/3600s=6. 69m/s 又，在10。C下，對海水而言，運(yùn)動黏度v=1.37Xl(T6m2/s。 經(jīng)配合書中附錄數(shù)據(jù)資料及計算，可得CfO. 00147， p=1020ks/m3。 再者，該船殼30與海水接觸的長(L)和寬(W:B+2D)， 故可得與海水接觸總面積A= (360m) X (70+50) m=43200 m2。 由上述公式得到 FfC[)A'/2pU2
=0. 00147X43200 m2X!/2X 1020kg/ m:iX (6. 69)2 m2/s2XN s2/kg m FD=1.45MN 相對應(yīng)功率是
P=FDU = 1. 45X106NX6. 69m/sXW s/N m
P二9.70麗一約13000馬力，這個數(shù)據(jù)說明了郵輪20要克服表面摩擦阻 力所需的功率非常大。
由以上這一個例子得知，陸地行舟，其阻力來自空氣及輪胎和路面的摩 擦力；而水上行舟，其阻力來自空氣阻力及船殼和水的摩擦阻力，以相同的 動力在陸地行舟，比水上行舟迅速，在攝氏20°C， 一個大氣壓下，水的密度 是l，而水的密度約為空氣的800倍。
于是，諸多研究是積極思考如何降低船殼與水之間的摩擦阻力(F。)。但 是，傳統(tǒng)用以減少船殼與水之間摩擦阻力的方法，則局限于裝設(shè)球鼻首及水 翼，其中球鼻首主要是用以降低因船首的碎波及波反射所造成的阻力。水翼 船是利用水翼來撐高船體，減少船體與水的接觸面積，但是，只能應(yīng)用于小 型船只。另，氣墊船必須用極大的氣體來支撐船體，故，也只能應(yīng)用于小型 船只，因?yàn)樗拿芏?p)無法降低，水與船殼之間實(shí)際的摩擦阻力、高壓區(qū) 的壓力及低壓區(qū)的吸力，依然存在，仍無法加以解決。
參閱圖3所示，該船殼30從船首31前端a—b，然后經(jīng)船身至尾端c點(diǎn)， 與水之間會有一層薄薄的邊界層(boundary layer),只要邊界層有摩擦力， 就會產(chǎn)生阻力，且會使得物體產(chǎn)生l^跡32(wake)，如圖3中c點(diǎn)以前所示的 線條。c點(diǎn)為分離點(diǎn)(Separation Point)，其使流體粒子離開物體并產(chǎn)生軌跡， 且c點(diǎn)內(nèi)側(cè)形成尾流33，也即從a點(diǎn)到b點(diǎn)的流線，為高壓區(qū)，且b點(diǎn)之后的一個小區(qū)段則形成擾流或低壓區(qū)，而c點(diǎn)以后的尾流33則形成低壓區(qū)，在 高壓區(qū)的水流對船殼30產(chǎn)生壓力，而在低壓區(qū)的水流則對船殼30產(chǎn)生吸力， 無論是"壓力"或"吸力"，對船殼而言，都是阻礙其向前推進(jìn)的阻力，所以 必須加以克服，才能提升船體的效率。
現(xiàn)有另一種降低摩擦阻力的新科技，是以電腦及水工試驗(yàn)來設(shè)計船型， 針對水波做有利的干擾，但是也只能局限在有限的速率范圍內(nèi)才有效果，因 船型無法隨著不同速度，變動型體來對水波做有利干擾，故，其效果仍有限。
本發(fā)明有鑒于傳統(tǒng)造船，在克服水的阻力問題上，仍無突破，而積極研 究改良，以解決上述問題，是本發(fā)明的主要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的上述缺點(diǎn)，而提供一種利用 氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，其原理是利用氣體從水底 釋出時會垂直上升的特性，當(dāng)氣體由船底釋出時，氣體會貼著船殼沿船殼傾 斜壁上升，上升的氣體可以部分隔離船殼與水的接觸，使與船殼接觸面的水， 降低其平均密度，以及利用氣體從水底釋出時會垂直上升的特性和氣體的可 壓縮性(compressible),在水對船體的高、低壓區(qū)釋出氣體，充當(dāng)緩沖層， 釋出的氣體在高壓區(qū)可以降低水對船殼的壓力，在低壓區(qū)可以減少水對船殼 的吸力，以達(dá)到降低行船時的壓力及吸力雙重阻力的方法。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種利用氣體由水中釋出以減少船體與水摩 擦阻力的方法，其勿須改變船體造型，只須在船首預(yù)定位置，裝設(shè)釋放氣體 的出氣口，且配合航速及吃水深度等參數(shù)，利用釋出位置的選擇，使得氣體 從釋出后是貼著船殼表面，依預(yù)定流線(flow line)在預(yù)定位置浮出水面，使 其降低船殼表面阻力的效率達(dá)到最佳化。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用氣體由水中釋出以減少船體與水摩 擦阻力的方法，是運(yùn)用氣體由船底釋出上升時，依可壓縮氣體的體積是與壓 力成反比的原理，因水壓的遞減，氣體體積隨水壓的遞減而膨脹(利用氣泡從 30m深釋出至浮出水面約膨脹4倍的特性)，應(yīng)用在吃水深的大型船只，釋出 的氣體即可獲得倍數(shù)降低摩擦阻力的效果。^
本發(fā)明再一 目的在于提供一種利用氣體由水中釋出以減少船體與水摩擦 阻力的方法，利用氣體由船底釋出，當(dāng)氣體上升時，船殼曲線越大，氣體從 船底釋出到浮上水面行程越長，降低阻力的效率越高。本發(fā)明還一 目的在于提供一種利用氣體由水中釋出以減少船體與水摩擦 阻力的方法，當(dāng)從船底或船首釋出氣體，氣體會貼著船殼沿船體傾斜壁上升， 上升的氣體對船殼有清潔擦拭的功能，可以減少海中生物附著滋長，延長進(jìn) 船塢保養(yǎng)的期限。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，其特征在 于，實(shí)施步驟包括-
(a) 在船體的船殼前緣吃水線及其附近以下的預(yù)定位置，設(shè)有出氣口供 氣體釋出；
(b) 利用氣體由水底釋出時會垂直上升的自然現(xiàn)象，當(dāng)氣體在水底釋出 時，氣體會貼著船殼沿傾斜壁上升，能夠部分隔離船殼與水之間的接觸，降 低與船殼接觸面的水的平均密度；
(c) 配合船殼的型體、航速、吃水深度及水溫度的參數(shù)，利用氣體釋出 位置的選擇，使氣體釋出是貼著船殼表面，依預(yù)定流線在預(yù)定位置浮出水面；
(d) 利用氣體的可壓縮性，釋出的氣體在高壓區(qū)及低壓區(qū)充當(dāng)緩沖層， 使其在高壓區(qū)降低水對船殼的壓力，而在低壓區(qū)降低水對船殼的吸力，以達(dá) 到同時降低航行時所產(chǎn)生的壓力及吸力的雙重阻力，且所釋出的氣體也具有 前述步驟(b)的特性。
前述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，其中氣體
包括空氣、引擎廢氣或者水汽化氣體。
前述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，其中空氣 及引擎廢氣包括由設(shè)在船殼內(nèi)的加壓氣體供應(yīng)室，經(jīng)管線輸送至出氣口。
前述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，其中出氣 口包括多個區(qū)段，且各區(qū)段分別由該加壓氣體供應(yīng)室來控制出氣的啟閉。
前述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，其中水汽 化氣體包括由設(shè)在船殼內(nèi)的電力供應(yīng)室，將電源經(jīng)電線送至各個出氣口周邊 的各區(qū)段的加熱裝置，以形成水汽化氣體，且各區(qū)段分別由電力供應(yīng)室控制 啟閉。
前述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，其中船體 包括軍用、商用、休閑或者運(yùn)動用造型。
本發(fā)明利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法的有益效果，本發(fā)明所采用的技術(shù)手段包括(a)在船體的船殼前緣吃水線及其附近以 下的預(yù)定位置，設(shè)有出氣口供氣體釋出；(b)利用氣體由水底釋出時會垂直上 升的自然現(xiàn)象，當(dāng)氣體在水底釋出時，氣體會貼著船殼沿傾斜壁上升，可以 部分隔離船殼與水之間的接觸，降低與船殼接觸面的水的平均密度；(c)配合 船殼的型體、航速、吃水深度及水溫度等參數(shù)，利用氣體釋出位置的選擇， 使得氣體釋出是貼著船殼表面，依預(yù)定流線在預(yù)定位置浮出水面；(d)利用氣 體的可壓縮性，釋出的氣體在高壓區(qū)及低壓區(qū)充當(dāng)緩沖層，使其在高壓區(qū)降 低水對船殼的壓力，而在低壓區(qū)降低水對船殼的吸力，以達(dá)到同時降低航行 時所產(chǎn)生的壓力及吸力的雙重阻力，且所釋出的氣體也具有前述步驟(b)的 特性。這樣，能以同樣的動力使船速更快，節(jié)省大量燃料費(fèi)，達(dá)到二氧化碳 減量目的。


圖1為現(xiàn)有一種郵輪的立體圖。
圖2為現(xiàn)有一種郵輪的側(cè)視圖。
圖3為現(xiàn)有一種郵輪的俯視圖。
圖4為本發(fā)明船殼的側(cè)視圖。
圖5A、圖5B為本發(fā)明的出氣口設(shè)在船殼中央棱線兩側(cè)的示意圖。
圖6A、圖6B為本發(fā)明的出氣口設(shè)在船殼凸緣體中央的示意圖。
圖7A、圖7B為本發(fā)明的出氣口設(shè)在平底船的示意圖。
圖8為本發(fā)明船殼的部分結(jié)構(gòu)放大圖。
圖9為本發(fā)明氣體釋放另一可行實(shí)施例示意圖。
圖10為本發(fā)明釋放氣體的示意圖。
圖11為本發(fā)明靜止時的使用狀態(tài)參考圖。
圖12為本發(fā)明航速5節(jié)的使用狀態(tài)參考圖。
圖13為本發(fā)明航速10節(jié)的使用狀態(tài)參考圖。
圖14為本發(fā)明航速15節(jié)的使用狀態(tài)參考圖。
圖中主要標(biāo)號說明20郵輪、30船殼、31船首、301中央棱線、302凸 緣體、303平底面、40出氣口、 41加熱裝置、50加壓氣體供應(yīng)室、51管線、 60電力供應(yīng)室、61電線、70氣體。
具體實(shí)施例方式
參閱第四圖所示，本發(fā)明較佳實(shí)施例是在一船體的船殼30前緣吃水線(Water Level, WL)及其附近以下設(shè)有供氣體釋放的出氣口 40。本實(shí)施例的 船體為一郵輪20，但不限定于此，也即包括軍用、商用、休閑及運(yùn)動的任一 造型的船體或載體都可實(shí)施。其船殼30長度以(L),梁寬以(B)表示，吃水深 度為(D)，而航速則以U表示。
本發(fā)明釋放氣體的出氣口 40其一可行實(shí)施例，是如圖5A、圖5B所示， 設(shè)在該船殼30由船首31向后延伸的中央棱線301的相鄰對應(yīng)兩側(cè)面。當(dāng)然， 也可如圖6A、圖6B所示，將出氣口 40設(shè)在船殼30由船首31向後延伸的凸 緣體302的中央底面，這樣，出氣口40位于正中央，可由兩側(cè)釋出氣體70。 此外，針對比較特殊的船殼30，例如圖7A、圖7B所示的平底船，其除了在 可沿著船首31前緣設(shè)有出氣口 40夕卜，更可在平底面303的前側(cè)設(shè)有一排橫 向出氣口40，而可向后釋出氣體70，使整個平底面302與水的接觸面形成緩 沖層，以降低阻力。故，本發(fā)明的出氣口 40是可視船殼30的型體而選擇， 但必須在吃水線(WL)下方。
參閱圖8所示，其揭示該出氣口 40是設(shè)在船殼30兩側(cè)接近中央棱線的 實(shí)施例，以下有關(guān)出氣口 40的說明以本例為主。本發(fā)明的出氣口 40是可由 固設(shè)在船殼30表面的管體所構(gòu)成，該管體上設(shè)有多個氣孔，該氣孔可為圓孔 或細(xì)長條型。這種外設(shè)型的管體所構(gòu)成的出氣口 40，其優(yōu)點(diǎn)是不用改變船殼 30，可在出廠后再安裝。而另一可行實(shí)施例是可在出廠前，即在船殼30表面 設(shè)有多個出氣口 40也可。
再參閱圖8所示，本發(fā)明的出氣口 40是由一設(shè)在船殼30內(nèi)部的加壓氣 體供應(yīng)室50將空氣或引擎室所產(chǎn)生的引擎廢氣，以管線51送至出氣口 40。 該出氣口 40可設(shè)成多個區(qū)段，且分別由加壓氣體供應(yīng)室50的管線51來控制 那一個區(qū)段的出氣口 40釋出氣體。
此外，該出氣口 40所釋出的氣體，也可如圖9所示，利用設(shè)在船殼30 內(nèi)的電力供應(yīng)室60，經(jīng)由一電線61將電源送至各出氣口 40周邊的加熱裝置 41，使水變成汽化氣體而釋出，而此一水汽化氣體會形成氣泡，貼著船殼30 表面而流線上升。本實(shí)施例的各出氣口40也可設(shè)成多個區(qū)段，由電力供應(yīng)室 60來控制各區(qū)段的開啟(ON)或關(guān)閉(OFF)。
本發(fā)明利用上述技術(shù)手段，使得船殼30可在吃水線(WL)以下釋出氣體， 且該氣體的釋出是可依需求選擇出氣口 40，如圖10所示，當(dāng)船殼30行進(jìn)時， 如前所述，由船首31與水接觸的a點(diǎn)至b點(diǎn)是為高壓區(qū)，尤其b點(diǎn)位置還會形成擾流及一小段低壓區(qū)，因此當(dāng)船殼30行駛在某一航速時，b點(diǎn)處會形成 一個極大表面摩擦阻力。于是，本發(fā)明此時可選擇較接近吃水線(WL)位置的 出氣口 40來大量釋放氣體70,而此等氣體70浮出吃水線(WL)時，剛好位于 該b點(diǎn)處，不僅可以降低水對此高壓區(qū)所產(chǎn)生的壓力，還可降低水對低壓區(qū) 所產(chǎn)生的吸力，同時消除二種阻力。
利用上述釋放氣體的出氣口 40，本發(fā)明進(jìn)一步的使用狀態(tài)參考圖，如圖 11至圖14所示。
首先，如圖11所示，該船殼30呈靜止，其航速(U)為O，此時該出氣口 40所釋出的氣體70，如圖所示貼著船殼30表面沿船殼面上升。
如圖12所示，為船體船殼30長300m，吃水15m，且航速為5節(jié)的使用 狀態(tài)圖，由于氣體在水中上升的速度約18m/min(氣體從15m深釋出，氣體沿 船殼曲弧度路徑的行程為18m)，如在船首下方吃水線(WL)15m處釋出氣體， 則上升氣體70如圖所示的流線在離船首150m處的w處浮出水面。
如圖13所示，是同一尺寸的船殼30，吃水15m，航速為10節(jié)(300m/min) 的使用狀態(tài)圖，由于氣體在水中上升速度為18m/min(氣體從15m深釋出，氣 體沿船殼曲弧度路徑的行程為18m)，故，在船首下方吃水線(WL))5m處釋出 氣體，則氣體70在船尾c處浮出水面。
如圖14所示，是同一尺寸的船殼30，吃水10m，航速為15節(jié)(460m/min) 的使用狀態(tài)圖，本例中的航速15節(jié)，較前述實(shí)施例都快，故，選擇在船首下 方吃水線約10m釋出氣體，則氣體70剛好在船尾c處浮出水面。
以上四個使用狀態(tài)，用以說明氣體的釋放必須考慮到船體的長度(U、吃 水深度(D)、航速(U)等各種參數(shù)，甚至須參考當(dāng)時的水溫，這樣才能在最佳 位置釋出最適量的氣體，使得氣體的流線能貼著外殼表面而上升，使其能作 用的區(qū)域達(dá)到最佳化，也即在高壓區(qū)可以降低水對船殼30的壓力，而在低壓 區(qū)可以降低水對外殼的吸力，達(dá)到同時降低行船時的壓力及吸力兩種阻力， 使其效率提升。
也即，本發(fā)明使用前述出氣口，將氣體從船底釋出，以降低水對船殼30 的摩擦阻力。這樣，以相同馬力航速可以增快，或是說要達(dá)到相同的預(yù)定航 速，本發(fā)明可以不用那么高馬力或推進(jìn)力，能節(jié)省大量的燃料費(fèi)及二氧化碳 排放量，在能源短缺的時代，具有正面的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保功能。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等 同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，其特征在于，實(shí)施步驟包括(a)在船體的船殼前緣吃水線及其附近以下的預(yù)定位置，設(shè)有出氣口供氣體釋出；(b)利用氣體由水底釋出時會垂直上升的自然現(xiàn)象，當(dāng)氣體在水底釋出時，氣體會貼著船殼沿傾斜壁上升，能夠部分隔離船殼與水之間的接觸，降低與船殼接觸面的水的平均密度；(c)配合船殼的型體、航速、吃水深度及水溫度的參數(shù)，利用氣體釋出位置的選擇，使氣體釋出是貼著船殼表面，依預(yù)定流線在預(yù)定位置浮出水面；(d)利用氣體的可壓縮性，釋出的氣體在高壓區(qū)及低壓區(qū)充當(dāng)緩沖層，使其在高壓區(qū)降低水對船殼的壓力，而在低壓區(qū)降低水對船殼的吸力，以達(dá)到同時降低航行時所產(chǎn)生的壓力及吸力的雙重阻力，且所釋出的氣體也具有前述步驟(b)的特性。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力 的方法，其特征在于，所述氣體包括空氣、引擎廢氣或者水汽化氣體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力 的方法，其特征在于，所述空氣及引擎廢氣包括由設(shè)在船殼內(nèi)的加壓氣體供 應(yīng)室，經(jīng)管線輸送至出氣口。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力 的方法，其特征在于，所述出氣口包括多個區(qū)段，且各區(qū)段分別由該加壓氣 體供應(yīng)室來控制出氣的啟閉。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力 的方法，其特征在于，所述水汽化氣體包括由設(shè)在船殼內(nèi)的電力供應(yīng)室，將 電源經(jīng)電線送至各出氣口周邊的各區(qū)段的加熱裝置，以形成水汽化氣體，且 各區(qū)段分別由電力供應(yīng)室控制啟閉。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力 的方法，其特征在于，所述船體包括軍用、商用、休閑或者運(yùn)動用造型。
全文摘要
一種利用氣體在水中釋出以減少船體與水摩擦阻力的方法，實(shí)施步驟包括(a)在船體船殼前緣吃水線及附近以下預(yù)定位置，設(shè)出氣口供氣體釋出；(b)利用氣體由水底釋出時會垂直上升的自然現(xiàn)象，當(dāng)氣體在水底釋出時，氣體會貼著船殼沿傾斜壁上升，能部分隔離船殼與水之間接觸，降低與船殼接觸面的水平均密度；(c)配合船殼型體、航速、吃水深度及水溫度的參數(shù)，利用氣體釋出位置選擇，使氣體釋出是貼著船殼表面，依預(yù)定流線在預(yù)定位置浮出水面；(d)利用氣體可壓縮性，釋出氣體在高壓區(qū)及低壓區(qū)充當(dāng)緩沖層，使其在高壓區(qū)降低水對船殼的壓力，在低壓區(qū)降低水對船殼的吸力，達(dá)到同時降低航行時產(chǎn)生的壓力及吸力，釋出氣體也具有前述步驟(b)的特性。
文檔編號B63B1/34GK101574996SQ20081009725
公開日2009年11月11日 申請日期2008年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日
發(fā)明者林瑞麟 申請人:林瑞麟