專利名稱：降低船體摩擦阻力的方法、使用該方法的低摩擦阻力船、以及用于分析船舶上的噴出氣泡 ...的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過向船體浸水部的邊界層內吹入微小氣泡(microbubble)以降低作用于船體表面的摩擦阻力的降低船體的摩擦阻力的方法、以及使用該方法的低摩擦阻力船，進而是對從船體浸水表面向流水中噴出的微小氣泡的情況進行分析的方法。
背景技術：
當船舶航行時，由于作為流體的水流的粘性，在船體的周圍形成水流或海水的邊界層，該邊界層內海水相對船體的流速在船體表面上為零，離開表面則呈迅速增大的趨勢，海水的摩擦阻力作用在船體表面上，是船體阻力的主要部分之一。
為此，近年來，已經在進行為降低作用在船體表面的摩擦阻力以提高船舶推進性能的研究。其措施之一是進行微小氣泡推進法的研究，就是從船體的浸水部表面吹出微小氣泡(microbubble)，將微小氣泡吹入船體的浸水部表面的邊界層內，使微小氣泡覆蓋船體的浸水部表面，這樣來達到降低作用于船體表面的摩擦阻力的目的。
微小氣泡推進法的一個具體方法，眾所周知是將利用空氣壓縮機等空氣供給裝置產生的加壓空氣從船體的外表面吹入水中，使氣泡附著在船體周圍。
在水中產生氣泡的方法，眾所周知的有例如利用噴嘴吹出壓縮空氣、通過船體上形成的縫隙吹出壓縮空氣、或利用設有多個小孔的管子等空氣導管吹出壓縮空氣等方法。
但是，單將加壓空氣從船體周圍吹入水中產生氣泡的傳統技術，要覆蓋盡可能大的船體區域，則需在船體周圍所有地方設計空氣吹出口，即使不這樣，但為了使船體浸水部從淺水區域到深水區域被氣泡覆蓋，至少要在船體浸水部的上部至下部形成空氣吹出口。因此，空氣吹出部位的靜壓力大，使加壓空氣吹出時的能量消耗大，這一部分消耗抵消了由于摩擦阻力降低而節約的能量的大部分。
并且，利用傳統的噴嘴、縫隙、或者有孔的空氣導管吹出空氣的方法，不能形成小直徑的微小氣泡。因此，氣泡不能在船體周圍的邊界層中有效停留，從而得不到有效的降低摩擦阻力的效果。或者，為了避免發生這種不利的情況，必須在船體的幾乎整個周圍設計空氣吹出部，以覆蓋船體周圍盡可能大的范圍，這仍然是為了吹出空氣必須消耗很多能量的重要原因。
這樣利用氣泡降低航行物體摩擦的場合，對于其氣泡的情況，在此之前也有一些研究報告。例如，作為對直接降低摩擦阻力的模型的研究，Madavan氏等人研究的模型是將通過在液相中摻進氣泡而改變的虛擬局部密度以及虛擬局部粘性系數作為混合長度理論的變數來處理(Madavan JL,Merkle CL,Deutsch S(1985)NumericalInvestigation Into the Mechanisms of Microbubble Drag Reduction.Trans ASME,vol.107,pp370-377)。Marie氏提出的模型采用與Madavan氏的模型同樣的虛擬局部密度以及虛擬局部粘性系數，并利用氣泡的存在改變粘性底層的厚度(Marie JL(1987)A SimpleAnalytical Formulation for Microbubble Drag reduction.PysicoChemical Hydrodynamics,vol.8-2,pp213-220)。但是，如果考慮將Einstein的模型用在Madavan氏等人以及Marie氏所使用的虛擬局部粘性系數上，則可認為他們的模型更適合用在使用被叫做懸浮液的介質的場合，懸浮液中分散有比普通的二相流更小的顆粒，懸浮體的直徑一般在0.01μm～100μm的范圍。遺留下Einstein的模型是否適用于本文中涉及的直徑1mm左右的氣泡流這個應該研究的問題。并且，沒有發現有關在這些理論性探討上推導空隙率的記載，不能說有好的理論性見解。因此，在這些技術中，由于難以正確掌握向流水中噴出氣泡時的情況，從而遺留下氣泡噴出量的設定和噴出氣泡的有效利用率方面的課題。
因此，本發明的主要目的在于提供以少的能量確實實現有效降低船體摩擦阻力的船體摩擦阻力降低方法，以及使用該方法的低摩擦阻力船。
本發明的另一目的在于提供能確切有效地得到實施本發明所必需的微小氣泡的方法及裝置。
本發明的又一目的在于提供通過利用船首碎波中的氣泡而實際上可去掉氣泡發生裝置的低摩擦阻力船。
并且，本發明還有一個目的是提供為了分析實現上述摩擦阻力降低方法所必需的噴出氣泡的情況的分析方法，具體內容如下-分析水流中氣泡的情況；-正確掌握邊界層中氣泡的分布、輸送量以及氣泡量；-可算出利用向邊界層中輸送氣泡所帶來的摩擦阻力降低效果；-可對應船舶形狀算出氣泡供給位置和供給量，從而改善利用氣泡噴出來降低摩擦阻力的低摩擦阻力船的能量收支情況。
發明概要為了達到上述目的，本發明的降低船體摩擦阻力的方法如權利要求1所述，其特征在于從水流線的起點附近且靜壓力小的位置吹出所需直徑的微小氣泡，使吹出的該微小氣泡沿上述流線旋入船底，而上述流線從船舶船體的船首部的浸水部吃水淺的位置沿兩舷船體表面流向船底，這樣，在上述船體的浸水部周圍的區域中至少一部分分布有上述微小氣泡，從而可降低航行時的船體摩擦阻力。
眾所周知，在航行中的船舶的船體浸水部周圍有一些穩定的流動(流線)產生。這些流線從船體的船首部延伸到船底，但并不只是水平直線流動的。這些流線的形式依據船舶形狀和航行速度而定。并且，即使假如船舶形狀和航行速度兩者都一定，該流線也因相對船體浸水部的高度位置不同而不同。例如，有貫穿船首到船尾在水面附近水平流動的流線，也有在從船首至船尾的途中向深水方向移動而旋入船底的流線。
這些流線中，特別是ⅰ)存在有一邊從船首到船尾、一邊向含船體底部的船體的下部移動且沿著船體分布的流線，以及ⅱ)這些流線有時也通過船首浸水部比較淺的位置。本發明注意到這些情況，通過從這些流線的起點附近吹出氣泡，使吹出的空氣順著該流線(載在流線上)分布到船體周圍，這樣，可實現有效的摩擦阻力降低效果，本發明的實質就是基于該實際知識而構成的。空氣吹出口不只是設在船首部，也是設在吃水淺的部分即靜壓力小的位置，所以，用于空氣吹出的能量可以很少。
在本發明中，吹出微小氣泡的位置，最好是在a)船體的由船首尾方向上的垂直等距線8.5～10所限的范圍，并且b)是船體的從浸水部的吃水線到浸水部的(2/3)的范圍。其中，選定b)的理由是，在該范圍以上的吃水深的部分吹出空氣的時候，空氣吹出口的靜壓力大，必須消耗很多的吹出能量，很可能抵消掉因吹出空氣所達到的摩擦阻力降低效果而使船體推進力減少的部分；選定a)的理由是，當在該范圍以外設計氣泡吹出部的時候，由于流線的關系，為了使氣泡大范圍地覆蓋船體，必須向吃水方向(上下方向)大范圍設計吹出部，結果是必須在靜水頭高的位置設置吹出口。另外，在本發明中，所謂“靜壓力(static pressure)小的位置”具有與上述“吃水淺的位置”不同的意義(如果吃水淺，當然靜水頭(static head)相對而言就小)，也包括由于流速大而使靜壓力比吃水處靜水頭小的部分。
在本發明中，微小氣泡的直徑最好平均在大約1mm左右。這是因為，如果氣泡太大，由于浮力大而會使其在短時間內脫離流線而浮上來，從而不能覆蓋船體周圍的部位；另一方面，如果氣泡太小，則不能大面積擴散，從而可能在船體周圍得不到所需的空隙率。
在實施本發明的方法的過程中，最好通過多個小孔吹出壓縮空氣來產生微小氣泡。這時，這些小孔可沿船體的外板形成，或者也可將形成有小孔的板(porous plate)裝在船體外板上與船體成為一體。這時，上述多個小孔最好以2.5～5倍小孔直徑的間距排列。特別是，要得到平均直徑為1mm的微小氣泡，最好從直徑為2mm、排列間距為5mm的多個小孔向主流速(水相對船體的流動速度一般可理解為船舶的航行速度)在8m/s以上的水中吹出空氣。
根據本發明者等人的研究發現，這樣通過小孔吹出空氣而在水中產生微小氣泡的時候，氣泡的直徑隨空氣的吹出速度和水的相對速度(即，船體的航行速度在實驗室中采用流體速度，這時叫“主速度”)而變化。因此，在本發明中，不管船體的航行速度怎樣，可對應航行速度改變吹出速度來保持最佳的氣泡直徑，這也是本發明的特征之一。
另外，流線隨著船速的變化會有微妙的變化。因此，在本發明中，將微小氣泡吹出口設在船體上下方向的多個區域，利用流量調節閥的操作等動作可以選擇使用吹出口的區域。這樣，即使在流線變化時也可切實使微小氣泡沿著目標流線運行。
進而，將微小氣泡吹出口設在船體前后方向的多個區域，如果可以選擇使用吹出口的區域，則可更準確地對應流線的變化。
在本發明的另一種形式中，是在船體船首部的浸水部兩左右舷側，在對應流向船底的水流線的靜壓力小的位置形成船首碎波導通通路，該船首碎波導通通路是所謂管狀的結構，攝取在船首部產生的船首碎波的攝入口在船首部附近的、航行時的水面附近開口，將該攝入口攝入的船首碎波吹出的排出口在上述攝入口后面比該攝入口稍稍下方處開口。該船首碎波導通通路這樣斜向下形成，使攝入的上述船首碎波中的氣泡順著上述流線流向船底方向。隨著船舶的航行，船首部產生的氣泡的一部分流入該船首碎波導通通路內。船首碎波中含有很多包括微小氣泡在內的氣泡。當流入該船首碎波導通通路內的含有微小氣泡的水從上述排出口吹出時，該排出的水(即其中含有微小氣泡的水)順著流線分布到船體所需要的地方。
并且，在上述船首碎波導通通路內還可設計空氣吹出口，從壓縮空氣供給源通過該空氣吹出口向導通通路內吹入空氣，利用壓縮空氣的壓力將船首碎波噴向流線方向。這時，在船首碎波導通通路內形成的空氣吹出口其軸線適于朝向導通通路上的上述排出口的方向。
并且，采用下面的方法分析從船體的浸水表面噴向流水中的氣泡的情況向浸水部表面與流水之間的邊界層以及/或者浸水部表面附近的水中噴出若干氣泡，同時，求出各被劃分成多份的分析單位內的氣泡數量；改變氣泡的噴出位置，反復求出與上述的一個分析單位并列的分析單位內因擴散而移動的氣泡數量；算出對應各分析單位的氣泡的分布情況。
這時，可同時采用以下的技術對一個分析單位累計氣泡的數量，利用該氣泡的數量和容積以及分析單位的容積算出空隙率的技術；多次變更氣泡的大小算出空隙率的技術；以及用隨機數給出沒水部表面周圍的氣泡擴散以及水流線上的氣泡擴散，以算出分析單位上的氣泡分布的技術。
另外，可根據(1)至(3)式求出單一氣泡的運動規律(其中，mb是單一氣泡的質量[kg]；mA是單一氣泡的附加質量[kg]；X、Y、Z是氣泡的相位[m]；μ是粘性系數[pa·s]；db是氣泡的直徑[m,μm]；u、v、w是流速的時間平均值[m/s]；u′、v′、w′是紊流速度[m/s]；ρ是密度[kg/m3]；ν是運動粘性系數[m2/s]；V是單一氣泡的體積[m3]；P是絕對壓力[pa]；Nx、Ny、Nz是氣泡在壁面上時所受到的來自壁的垂直阻力[N]；g是重力加速度[m/s2]。并且，其中帶腳標L的符號表示其代表對象是液體)。(mb+mA)X..=6πμL(db/2)(u-L+uL′-X.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(v-L+vL′-Y.)(∂u-L∂x)12+(w-L+wL′-Z.)(∂w-L∂x)12}]]>-V∂P∂x+Nx---(1)]]>(mb+mA)Y..=6πμL(db/2)(v-L+vL′-Y.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(w-L+wL′-Z.)(∂w-L∂y)12+(u-L+uL′-X.)(∂u-L∂y)12}]]>-V∂P∂y+Ny-ρLgV+mbg---(2)]]>(mb+mA)Z..=6πμL(db/2)(w-L+wL′-Z.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(u-L+uL′-X.)(∂u-L∂z)12+(v-L+vL′-Y.)(∂v-L∂z)12}]]>-V∂P∂z+Nz---(3)]]>在(1)至(3)式的基礎上用下面的(4)至(10)式求出所定分析單位的空隙率(其中，q′L(i))是紊流速度[m/s]的i階值；xs、ys、zs是單位球上的任意點；T*L是液相的積分時間標度[s]；εL是液相的能量耗散率[m2/s3]；Δt是取樣周期[s]；kL是液相的紊動能量[m2/s2]；χ是根據(10)式定義的常數；σ是根據(10)式定義的紊流速度的標準偏差[m/s]；γ是正態隨機數)。
PV=const. (5)
T*L=3kLϵL---(7)]]>x=e-ΔtT*L---(8)]]>σ=2kL(1-x2)---(9)]]>qL′(i)= χqL′(i-1)+σγ (10)本發明的分析方法，是用實用的二流體模型來表現通過在紊流邊界層中混入微小氣泡以降低摩擦阻力的現象，從而對摩擦阻力的降低原理進行理論性研究的方法。氣泡的模型是基于單一氣泡的運動方程式的拉格朗日(Lagrangian)模型，通過跟蹤最初給出時為三維無氣泡紊流場中的氣泡隨機運動來推斷空隙率分布的局部情況以及氣泡的局部情況。液相模型是建立在混合長度模型的基礎上的，通過假定來自氣泡的作用力與由縫隙產生的氣泡的流體阻力相等，導出了表示紊流切應力的減小量的公式。
采用本發明的分析船舶上的噴出氣泡的分析方法，可達到以下的效果-利用氣泡的擴散現象求出通過分析單位的氣泡的存在數量，這樣，可正確掌握流水中氣泡的流動和分布，使得容易分析因氣泡供給邊界層所帶來的船舶摩擦阻力降低現象。
-可根據分析單位的氣泡數量的累計和氣泡部分的容積比求出空隙率，并且。可算出向邊界層提供氣泡的范圍以及空隙率與船舶的摩擦阻力降低效果之間的關系，從而可提高其在實船上的應用性。
-通過分析對沒水表面附近流線上的氣泡擴散現象，可利用計算機容易地求出氣泡的分布和空隙率。
-利用式(1)至(3)的運動方程式，可正確掌握流水中的氣泡的情況，從而可有效地向有助于減小船舶摩擦阻力的部位提供氣泡。
-利用分析用數學式子，可簡單地求出所要的分析單位以及所要的沒水表面的空隙率，同時，容易設定基于空隙率的摩擦阻力減小部分的范圍，從而可改善低摩擦阻力船的能量收支狀況。
-即使在船舶形狀變化的情況下，也可根據流線和氣泡的擴散來求出氣泡供給量、空隙率、以及氣泡供給范圍，從而可根據船舶形狀有效地提供氣泡。
下面，參照附圖對本發明的幾個實施形式進行說明。
附圖的簡要說明
圖1是本發明所采用的船舶的實例側視圖；圖2是表示將船舶在前后方向上等距離分割成若干部分時的分割線的側視圖；圖3是表示本發明的流線的圖，示意性地顯示出船體吃水線D.L.下方部分即浸水部分的斜視透視圖；圖4是表示流線的分析方法的實例的圖，示意性地顯示出用于分析的模型船以及裝置的側視圖；圖5是表示利用圖4所示裝置所得到的流線分析結果的坐標圖；圖6是利用C.F.D求出的圖5所示流線的坐標圖；圖7是建立本發明的分析方法，即對船舶上的噴出氣泡進行分析的分析方法的理論時所用的坐標系的模型圖；圖8是本發明所涉及的分析船舶上的噴出氣泡的分析方法中使用的應力減小模型圖；圖9是本發明的分析方法中計算時使用的坐標系的模型圖；圖10是本發明的分析方法中使用的氣泡軌跡的分布圖；圖11是x=1.0m,z=0處的局部空隙率分布圖；圖12是x=2.0m,z=0處的局部空隙率分布圖；
圖13是x=3.0m,z=0處的局部空隙率分布圖；圖14是z=0的邊界層內空隙率的體積平均值的關系曲線圖；圖15是紊動尺度的平方與離壁距離的關系曲線圖；圖16是局部摩擦阻力降低率的關系曲線圖；圖17A和圖17B表示利用C.F.D求出的流線的圖，圖17A是側視圖，圖17B是從斜下方所視的斜視圖；圖18A至圖18H是沿流線分布的微小氣泡的分布狀態示意圖，分別顯示出圖17A所示S.S.0.2至S.S.9.8區域的船體斷面的一部分的視圖；圖19表示在改變微小氣泡對船體的覆蓋率時摩擦阻力比與馬力降低率之間的關系的坐標圖；圖20A至圖20C是分別表示空隙區域的分布因氣泡大小而不同的船體2的局部斷面圖；圖21A和圖21B是本發明的低摩擦阻力船的一實施形式的側視圖和俯視圖；圖22是設有空氣吹出口的空氣吹出器的一實例的斜視圖；圖23是當壓縮空氣從本發明的多孔板吹出時，改變吹出速度和主速度(船舶速度)的情況下微小氣泡的直徑變化表；圖24是本發明的低摩擦阻力船的另一實施例的局部側視圖；圖25是本發明的低摩擦阻力船的又一實施例的局部側視圖；圖26A至26E是本發明的低摩擦阻力船的又一實施例的示意圖，圖26A是局部側視圖，圖26B是圖26A所示部分的放大圖，圖26C是沿圖26B中的A-A線截取的斷面圖，圖26D是沿圖26B中的B-B線截取的斷面圖，圖26E是沿圖26B中的C-C線截取的斷面圖；圖27A和圖27B是本發明的低摩擦阻力船的又一實施例的示意圖，圖27A是側視圖，圖27B是局部俯視圖；和圖28A和圖28B是圖27A和圖28B所示實施形式的改進形式，圖28A是低摩擦阻力船的局部俯視圖，而圖28B是顯示船首碎波導通通路以及與之連接的送氣管的斜視圖。
實施發明的最佳方式圖1是本發明所采用的船舶1(低摩擦阻力船)的實例的示意圖。該船舶1設有船體2，且在該實施例中，假設該船舶1為集裝箱貨運船。
圖2是只顯示圖1所示船舶1的上述船體部分2的示意圖，圖中符號D.L.表示水面即該船體2的吃水線。圖2中在相對船體2垂直畫出的多條平行線中，位于圖的最左側的是船尾垂直線A.P.，而位于圖的最右側的是船首垂直線F.P.。為了方便起見，將垂直線A.P.與垂直線F.P.之間的區域以垂直等距線(Square Station)分為10等份。
本發明的主要特征在于從水流線的起點附近且靜壓力小的位置吹出所需直徑的微小氣泡，使吹出的該微小氣泡沿上述流線旋入船底，而該水流線從船體2的船首部4的浸水部吃水淺的位置沿兩舷船體表面流向船底，這樣，在上述船體的浸水部周圍的區域中至少一部分分布有上述微小氣泡，從而可降低航行時的船體摩擦阻力。
圖3是從右斜后方所視上述船體2的吃水線D.L.的下方部分即浸水部分的斜視透視圖。F.L.1至F.L.3是在船體2航行時沿該船體2形成的典型水流線(stream line)。雖然流線是從船首部4向船尾流動，但這些流線中，如圖示那樣，有大致沿水面附近流動的流線(F.L.1)，有在中途沿船體2向斜下方移動且之后到船尾再浮上來的流線(F.L.2)，有在中途沿船體2向斜下方移動并一直向船底5方向旋入的流線(F.L.3)等。當然，圖示中的三條流線是具有代表性的例子，在這些流線F.L.1至F.L.3之間也存在其他流線。
本發明是在注意到上述流線存在的前提下的產物，即，使船首部4附近生成的微小氣泡順著流線，特別是上述F.L.2及F.L.3那樣的沿著船體2向船體2的側面以及船底5的方向旋入的流線流動，這樣使微小氣泡分布到船體2的浸水部周圍所需要的區域，以降低航行時的摩擦阻力。
圖5所示，是為了了解以各種曲線畫出的流線的情況，實際進行如圖4所示那樣的實驗，即，使全長為2000mm的模型船100漂浮在循環水槽(Circulating Water Channel)中，從與空氣供給源6連接的管7吹出直徑約為500μm的氣泡，從而對該氣泡的移動軌跡進行視頻分析的結果。該結果是在水流速設為1.0m/s時得到的，三條軌跡顯示的是平均值。從圖5中了解到，氣泡的軌跡走向由于船首部的氣泡吹出位置(吹出高度)不同而不同，即，所畫出的不同流線確實存在。
另一方面，圖6所示是在同樣條件下利用C.F.D.(ComputationalFluid Dynamics)的計算所得到的流線的結果。該圖6顯示出C.F.D.的計算結果與圖5所示根據實驗所得的分析結果大體一致。
并且，本發明者等人，用該C.F.D.建立了可根據所給出的船體形狀求出在船體周圍沿流線流動的微小氣泡的運動以及船體上任何位置的空隙率分布的計算式。在此，在求取微小氣泡的運動規律時也要考慮紊流擴散的影響。紊流擴散的影響可通過下面的方法來考慮通過在假定各項同性紊流的基礎上，隨機地改變X軸、Y軸、Z軸方向(垂直相交的三個方向)的流速，而對微小氣泡的軌跡施加擾動。即，可直接用蒙特-卡羅法(Monte Carlo)模擬微小氣泡的隨機運動。上述的所謂“空隙率(Void Faction)”是指在研究存在氣泡的某一給定容積Vs的部分時，氣泡的體積Va占整個體積Vs的比例，可用下式表示空隙率=Va/Vs。計算微小氣泡的運動規律時，可用某個時刻的考察區域(單元)內存在的微小氣泡的總體積除以考察區域的體積來求得空隙率。
下面，具體地詳細敘述如何用C.F.D.求出微小氣泡的運動規律以及空隙率分布情況。
模型采用由氣泡模型與液相紊流模型構成的二流體模型。
氣泡模型基于粒子跟蹤法。液相的紊流一般應考慮為未知的，所以，在考慮氣泡運動時的液相中，認為適合采用通過反復計算求得的液相紊流場。在此，為近似計算氣泡運動時的液相中，考慮以無氣泡的紊流場作為初始流場。利用蒙特-卡羅法(Monto Carlo)求得氣泡的隨機運動和局部空隙率。可用劃分后的流場的單元流體體積除以該單元流體內氣泡的總體積來求得局部空隙率。
液相紊流模型基于混合長度模型。假定液體受到的來自上述氣泡的模型的力等于因船移動而產生的氣泡流動阻力。
圖7是建立理論時所用的坐標系。二維的平板位于z-x平面內，設其前緣為z軸。主流(Main Flow)向x軸的正方向流動，其流速為U。重力作用于y軸的正方向。雖然在混合長度模型上也可采用二維坐標系，但在研究氣泡的隨機運動時必須是三維坐標系，所以，盡管是研究二維的平板周圍的流場，在本發明中還是采用了三維坐標系。
粒子追蹤法是拉格朗日(Lagrangian)方法，是求得在氣泡吹出位置上從已知的初始狀態開始的粒子的運動軌跡，并推斷該狀態的方法。
在水中跟蹤氣泡的時候，由于水的比熱比氣泡的比熱大得多，所以，可假定為等溫變化。如果根據Clift氏等人所示出的推斷氣泡形狀的曲線圖(Clift R,Grace JR,Weber ME(1978)Bubbles Drops andPrarticles.Academic Press)，當氣泡直徑很小、相對液相的相對流速很小時，可假定氣泡保持球形。單一氣泡上的作用力，由作為體積力的重力及浮力、Saffman升力、由壓力梯度產生的力以及因相對液相的相對流速而產生的Stokes阻力(Saffman PG(1965)The Lift OnA Small Spherein a Slow Shear Flow.J Fluid Mech,vol.22,pp385-400)。在此，為了簡單起見，叫做Basset阻尼能級(Clift R,GraceJR,Weber ME(1978)Bubbles Drops and Prarticles.AcademicPress)的一項忽略不計。氣泡附著在壁面上的時候，假設受到來自壁面的垂直阻力的作用，壁面為滿足物質表面條件那樣的壁面。
單一氣泡的運動方程式，根據上述方程式(1)至(3)導出。
在此，垂直阻力Nx、Ny、Nz只有當氣泡附著在壁上時起作用，這時，設其在壁面上滿足方程式(4)的條件。
未知數有X、Y、Z、Nx、Ny、Nz這六個。方程式有式(1)至式(4)所示的五個，再加上Nx、Ny、Nz的方向為壁的法線方向這個條件，可求出六個未知數。關于氣泡的體積，可利用等溫變化的假定采用波義耳(Boyle)法則，氣泡的直徑也可隨其體積的變化而變化(方程式(5))。
氣泡的隨機運動可利用蒙特-卡羅法表現。基本的思考方法是基于PSI-CELL法(Masuko A,Ogiwara S(1989)Numerical Simulationof Viscous Flow Around Practical Hull Form.5th InternationalConference on Numerical Ship Hydrodynamics,p211-224)。在此，假定在單元流體內液相為各向同性紊流，且賦予紊流流速。液相的紊流速度u′L、v′Lw′L通過上述(6)式用單位球體上的隨機點xs、ys、zs以及i次方的紊流速度值q′L(i)表示。
xs、ys、zs點利用Shibuya的方法(Sibuya M(1962)A Method forGenerating Uniformly Distributed Points on N-dimensionalSpheres.Ann.Inst.Stat.Math,vol.14,p81)求得。當初始條件給出液相紊流能量kL以及耗散率εL時，如果采用初級馬耳科夫(Markov)過程模型，則q′L(i)如上述式(7)至式(10)所示。
求解運動方程式(1)、(2)、(3)，可求得氣泡的軌跡。用單元流體體積除以單元流體內所有氣泡的總體積求得局部空隙率α。
在求出空隙率的之后，對氣泡相互間的碰撞有必要做分子運動理論上的探討。當在包含均勻分布的同粒徑的多個粒子的相位上放進一個粒子時，該粒子與其他粒子之間發生碰撞時的平均自由行程lb用下式(11)表示lb=db6α---(11)]]>其中db是粒徑即氣泡的直徑；而α是局部空隙率。
如果將流場的特征長度設為L，則可忽略粒子間碰撞的條件可用下式(12)表示。lbL>1---(12)]]>如果將式(11)代入式(12)，則可忽略粒子間碰撞的局部空隙率的條件可用下式(13)表示。α<db6L---(13)]]>[液相的紊流模型]紊流邊界層內的微小氣泡，因液相的紊流而進行隨機運動時，在y方向的波動由于速度梯度的影響而產生切應力，并假定該力對降低摩擦有影響。在紊流邊界層上，氣泡一定程度地追隨周圍流體粒子或流體塊的隨機運動，但是，由于氣泡的虛擬慣性而產生滑動，使液相受到與氣泡的阻力成比例的力的作用。如果觀察x方向的力，則可發現因x方向的波動而產生的力的時間平均值為零，而由于剪切流上的速度梯度的影響，因y方向的波動而產生的力的時間平均值與速度梯度以及氣泡的位移的均方平均值成比例。應考慮的除以上所述力以外的因素，有因大氣泡的伴隨流動而產生的新的紊流，以及由于與氣泡之間的摩擦而造成的液相的紊流能量的耗損和因氣泡表面的形狀變化而引起的能量交換等。在此，為了簡單起見而將該三項因素忽略不計。
首先，根據拉格朗日(Lagrangian)方法，求出液相在y方向的紊流速度v′L的均方平均值與氣泡相對紊流速度的在y方向的位移Y的均方平均值之間的關系。考慮x-y平面上的邊界層內的情況，進一步做如下式(14)至式(16)所示的假設。vL≌0 (14)(u-L+uL′-X.)(∂u-L∂y)12≡0---(15)]]>v∂P∂y≅0---(16)]]>式(15)的假定意味著忽略Saffman升力項，但這是簡化式。式(15)不成立的一般情況是只考慮x方向的紊流速度u′L的影響，如果當只考慮在x方向上的紊流速度影響時設u′L的均方平均值大致等于v′L的均方平均值，則可導出與后式(18)同樣的關系式。因此，為了方便即使做了式(15)的假定，也可在后面通過調節比例常數k1而再考慮進Saffman的升力項。如果忽略重力以及浮力的定常外力，相對y方向的波動的氣泡的運動方程式可用式(17)表示。mb+mA6πμL(db/2)Y..+Y.=vL1---(17)]]>通過求出式(17)的頻率響應系數的絕對值，可了解v′L的均方平均值與Y的均方平均值之間的關系(即(18)式)。Y^v^L′={1+(mb+mA3πμLdbωL)2}121ωL---(18)]]>其中，ωL是紊動的角頻率。紊動的角頻率與積分時間標度T*L的關系可用下式(19)表示。1ωL≅T*L2π---(19)]]>由于mb+mA與db3成比例，所以，當db充分小時，式(18)可近似寫成式(20)。Y^v^L1≅1ωL≅k1T*L---(20)]]>其中，k1是比例常數。
下面用歐拉(Euler)方法建立表現應力降低的模型。在此，用混合長度模型作為紊流模型。
圖8所示為應力降低模型。顯示了x-y平面上某個位置沿x方向的流速的時間平均值uL的曲線。圖8所示是在具有速度梯度的流動中有一個氣泡存在的單位流體模型。Y^]]>是其氣泡在因液相的紊動而波動時在y方向上的位移的均方平均值。由于剪切流中的波動，氣泡看上去只移動了均方平均值Y^]]>，其周圍的流速只增加了ΔuL。這時，設粘性阻力的增加為ΔRv[N]。將邊長為ΔL的正方形控制面單位流體設在與y軸垂直的面上。如果將該單位流體對應一個氣泡來設計，則其一邊的長度可用下式(21)表示。ΔL=(π6α)13db=k2α-13db---(21)]]>其中，k2是比例常數。當由于液相的紊動使氣泡的位置變動時，氣泡所受水平方向力的增加可用下式(22)表示。ΔRνχ∝6πμL(db/2)ΔuL=k3ρLvLdbY^∂u-L∂y---(22)]]>其中，k3是代表虛擬滑動比以及氣泡的摩擦阻力系數的比例常數。
液相受到來自氣泡的與式(22)同樣大的反作用力的作用，使應力下降。根據式(20)、(21)、(22)，可用下式(23)表示應力的減少量。Δτt=ΔRVΔL2]]>=k1k3k22ρLvLT*Lα23db-1v^L1∂u-L∂y---(23)]]>對于式(23)，可做如式(24)所示的假定。
其中，λ1是代表液相紊動尺度的比例常數。式(24)中假定Taylor紊動尺度的平方λL2與離壁面的距離成比例地增大。在以后通過計算無氣泡時的Taylor紊動尺度的平方λLO2，可簡單地討論該假定的合理性。為方便起見，設混合長度的減小量為lmb，如式(25)、(26)、(27)所示。lm=lm0-lmb(25)lm0=κy (26)Δτt=k4ρLlmbv^L1∂u-L∂y---(27)]]>其中，k4是比例常數。從(23)至(27)可導出式(28)。lm=(κ-λmdbα23)y---(28)]]>其中，λm[m]是虛擬滑動比，是表示將氣泡的摩擦系數等作為比例常數包含在內的虛擬紊動尺度的量，具有長度的量綱。κ是無氣泡狀態的紊流區域的壁定律常數。
下面，為了簡單起見，用與y軸無關的典型空隙率代替空隙率進行計算。在此，作為實用簡單的式子，用虛擬空隙率αm代替式(28)中的α，對常數κ1(有氣泡狀態的紊流區域的壁定律常數)定義如下(式(29))。αm的定義在后面對圖14的說明中進行敘述。κ1=κ-ηmαm23---(29)]]>其中，ηm用式(30)定義如下。ηm=λmdb---(30)]]>這次，設ηm為定值，并打算通過實驗求證。
無氣泡時，用下面的式(31)以及式(32)(Ikui T,Inoue M(1978)Dynamics of viscous fluid(in Japanese).Rikougkusya,p149)求得壁面的摩擦阻力系數。Rex是雷諾(Reynolds)數，B是紊流區域的壁定律常數。Rex=1κe-κB{eκ21Cf0(2Cf0-4κ2Cf0+6κ2)-(2κ2Cf0+6κ2)}---(31)]]>Rex=UxvL---(32)]]>有氣泡時，可用κ1代替式(31)中的κ來計算壁面的摩擦阻力系數。即，用(29)、(31)、(32)以及后面的式(33)求出摩擦阻力系數比Cf/Cf0其中，Cf0是完全無微小氣泡吹出時的摩擦阻力系數，Cf是用上述方法吹出微小氣泡時的摩擦阻力系數。Rex=1κe-κ1B{eκ21Cf(2Cf-4κ12Cf+6κ12)-(2κ12Cf+6κ12)}---(33)]]>[計算結果]圖9所示為計算時所用的坐標系。計算對象是在頂上裝有氣泡吹出噴嘴的空泡水筒。空泡水筒的斷面是邊長為600mm的正方形，設計主流速為8m/s。虛擬前緣位于z軸上。噴嘴的間距為150mm，其位置在距前緣700mm的下游側的頂上。噴嘴是噴出方向向下偏離主流方向20°的、流通通道的寬度為5mm的縫隙。實驗中，在流量為10升/分鐘的水流中，將混有空氣的流體以35升/分鐘到200升/分鐘范圍內的流量通過縫隙噴入紊流邊界層內。為了簡單起見，此時該水流的影響在計算中忽略不計。
關于氣泡的初始位置，是將縫隙劃分成20段，計算出從其21個節點出發的氣泡的軌跡。關于初始速度，考慮有水混合這一點，且考慮到氣泡在噴出縫隙之前已經形成，因此，定為縫隙中混合流體的平均速度。取樣周期為0.001秒。
圖10中示出了氣泡軌跡的計算結果。該圖是側視圖，其縱軸是筒壁，即表示離頂部的距離；橫軸表示離前緣的距離。為了看到從噴嘴出來的氣泡向下游擴散的情況，縱軸和橫軸采用了不同的刻度。記下每隔0.005秒時的氣泡的位置來繪出軌跡。從整體傾向上看，氣泡是向下游擴散的。也可看出因氣泡浮力的影響，氣泡有越往下游越靠近壁的傾向。由于壁面附近的流速小，從而表現出受浮力的影響更大，氣泡一旦靠近壁面則在短距離內就上升到壁面。當空氣流量小時，看到的情況是軌跡有離開壁面的傾向。其原因可認為是由于用縫隙中混合流體的平均流速作為初始速度，所以，如果流量小，則初始速度小，使相對液體的相對速度小，從而使運動方程式(2)中的Saffman升力項增大。作為計算結果，流量的減小使作用在噴嘴附近的氣泡上的升力增加，表面上看，顯示出具有與在離開壁面的位置上吹出氣泡時同樣的效果。
圖11所示是在x=1.0,z=0處的局部空隙率分布的計算結果。空氣流量為35升/分鐘和100升/分鐘時，峰值位于邊界層的厚度推斷值的外側；空氣流量為200升/分鐘時，峰值大約為0.4，作為氣泡流的空隙率可認為是相當高的值。
圖12所示是在x=2.0，而z=0處的局部空隙率分布的計算結果。空氣流量為35升/分鐘時，峰值位于邊界層的厚度推斷值附近；空氣流量為100升/分鐘時，峰值位于邊界層的厚度推斷值的內側。整體上，如果與圖11的結果比較，可看出稍稍有擴散的傾向。空氣流量為200升/分鐘時，在壁面附近又出現一個峰值。其原因可認為是空氣流量大時，與前面所述空氣流量小的情況相反，Saffman升力項變小，相對地提高了氣泡靠近筒壁的可能性；如果氣泡靠近壁面，液相的速度梯度以及紊動程度增大，使流速變小，所以，當氣泡靠近壁面到一定程度時，式(2)中的Saffman升力項可能變得相當小，或者這時可能變成負值；這樣，Saffman升力項與浮力相比相當小或者其作用方向與浮力的作用方向相同，使氣泡不能逃離壁面；處于這種狀態的氣泡漸漸積累到下游，使壁面附近出現空隙率的峰值。
圖13所示是在x=3.0,z=0處的局部空隙率分布的計算結果。空氣流量為200升/分鐘時，峰值約為0.2的一側，壁面附近的空隙率增加到了飽和的程度；空氣流量為35升/分鐘或100升/分鐘時，在壁面附近沒有出現大的空隙率峰值。
圖14所示是在z=0的邊界層內的空隙率體積平均值的計算結果。當空氣流量為35升/分鐘或100升/分鐘時，由于局部空隙率的峰值從邊界層外側移到邊界層內側，因此，體積平均值一度下降到零附近，之后，當上升到某個值后，又呈單調下降的形式；空氣流量為200升/分鐘時，由于空隙率峰值通常在邊界層的內側，所以，計算結果顯示為單調下降的曲線。在此，可將圖14的空隙率作為式(29)中的虛擬空隙率αm。
盡管計算過空隙率，也利用式(13)計算可忽略氣泡間相互碰撞的局部空隙率的條件。將進行過計算的斷面中最下游側的x=3.0m處的邊界層的厚度設為流場的特征長度。即，設L大致為0.04m。
當db=500μm時，可忽略氣泡間相互碰撞的局部空隙率由式(13)計算為α＜0.002。另一方面，在考慮將無氣泡時的混合長度作為流場特征長度的時候，則情況如下壁面附近的空隙率峰值所在點的y=0.0007m左右，設k=0.41時，混合長度lmo=ky=0.000287m；L大約為0.000287m時，α＜0.290。從而了解到無論什么時候，為了精確計算斷面內的空隙率分布，都必須考慮氣泡間的相互碰撞。
圖15所示是泰勒紊動尺度的平方與離壁面的距離之間的關系，是根據由C.D.F.原理得到的無氣泡紊流場的計算結果推斷出的。其結果是，在無氣泡紊流場的情況下，泰勒紊動尺度的平方在紊流區域與離壁面的距離大致成比例。式(24)的假定，是無氣泡時成立的式子在氣泡流中也近似成立。
將圖14中的虛擬空隙率代入式(29)中，利用式(31)以及式(33)算出局部摩擦阻力降低率Cf/Cfo其結果示于圖16中。在圖16中，也記錄了使用空泡水筒時的實驗值。計算條件是k=0.49，B=4.9。系數ηm為0.85，設為定值。空氣流量為200升/分鐘時，顯示出模型與實驗結果的趨勢具有良好的一致性；當空氣流量為35升/分鐘或100升/分鐘時，由于在噴嘴之后空隙率急劇下降，所以得到的結果是Cf/Cfo上升到接近1的程度。其原因是，在模型上，空隙率峰值的位置的影響取決于該峰值是位于邊界層的內側還是外側這兩種情況。
因此，基于這樣求出的空隙率的分布，可找出能有效降低摩擦阻力的、可形成高空隙率的流線，從而確定空氣的吹出位置。
但是應注意，流線的分析以及與其相關的空氣吹出位置的確定可以不依靠C.D.F.。例如，也可采用在船體2上涂抹染色材料，根據該涂抹的染色材料的剝離情況進行流線分析的叫做油膜法(Oil FilmMethod)的方法。另外，空氣吹出口的位置的確定還可用例如圖4所示的模型船進行模擬。
圖17A，圖17B表示從船首部分吹出的微小氣泡順著流線覆蓋船體的狀態，是利用上述C.F.D求出的。圖17A是其側視圖，圖17B所示是從斜下方所視的狀態。圖18A～圖18H分別顯示了圖17A所示S.S.-9.8、S.S.-9.2、S.S.-8.0、S.S.-5.8、S.S.-2.8、S.S.-1.3、S.S.-0.6、S.S.-0.2的各斷面空隙區域9的分布狀態。在此，利用10條空隙率的等高線示出存在微小氣泡的區域，各等高線內的空隙率從最外側起分別為0.002、0.004、0.008、0.016、0.031、0.063、0.125、0.250、0.500、1.000。
從圖18A～圖18H中，了解到從船體2的船首部吹出的微小氣泡，順著選擇的流線從船體2側部下方部分旋到底部，形成了空隙區域9。
圖19是顯示在利用上述方法改變分布在船體2周圍的微小氣泡的覆蓋率時摩擦阻力比(Cf/Cfo)與馬力降低率之間的關系的坐標圖。完全無微小氣泡吹出時的摩擦阻力系數Cfo與利用上述方法吹出微小氣泡時的摩擦阻力系數Cf之間的關系通常是Cf＜Cfo，所以，Cf/Cfo＜1。所謂覆蓋率(coverage；α″b)是空隙率為某個值(例如為0.9)的區域所占船體整個浸水面積的比例值。
從圖19的坐標圖中，可了解到，即使例如摩擦阻力比(Cf/Cfo)不變，也可通過提高覆蓋率來增大馬力的降低率。例如，如圖所示那樣，以摩擦阻力比(Cf/Cfo)=0.6的情況為例，當覆蓋率為0.4(即，空隙率在0.9以上的部分占船體整個浸水面積的40％)時，馬力降低率約為8％；如果摩擦阻力比不變，而將覆蓋率提高到0.6，則可得到約14％的馬力降低率。在此之前，研究的角度只是將該摩擦阻力比(Cf/Cfo)從例如0.6降低到例如0.4，即，只進行了將摩擦阻力比(Cf/Cfo)變小的研究。相對而言，在本發明中，即使在保持摩擦阻力(Cf/Cfo)為例如0.6不變的情況下，也可通過沿上述箭頭方向提高覆蓋率來提高馬力降低率，而且更容易做到。因此，可以說我們通過本發明掌握了有效實現利用微小氣泡降低摩擦阻力的方法。
由于本發明只從船體2的船首部4附近，即只從極小的區域產生微小氣泡，通過使其順著所要的流線在船體2周圍形成所需要的空隙區域，所以，關鍵在于準確掌握流線的情況，才可盡可能地提高覆蓋率。
圖20A～圖20C所示，是用模型船分析在實施從船首部使微小氣泡順著所定的流線分布到船體周圍的上述方法時，因氣泡直徑不同而不同的分布狀態圖。這些圖所示全部是圖2中的垂直等距線S.S.5所示的斷面，圖20A、圖20B、圖20C所示分別是微小氣泡8的直徑為100μm、1000μm、500μm時的微小氣泡的分布狀態。
圖20A所示，是在噴出直徑為100μm的微小氣泡8時，微小氣泡8沒有附著船體2的浸水部表面，而是大范圍地擴散，且在整個長度上氣泡不能沿著船體浸水部表面流動，從而不能形成高空隙率的空隙區域9的情況。圖20B所示，是在噴出直徑為1000μm的微小氣泡8時，由于微小氣泡8的直徑大、浮力過大，使其不能附著在船側部而漂浮上來，從而使船體側部的空隙區域9消失的情況。圖20C所示，是在噴出直徑為500μm的微小氣泡8時，微小氣泡8沒有過渡擴散，在船側部也沒有浮上來消失掉，而是全面附著在船體2的浸水部的表面上，很好地形成空隙區域9的情況。如這些結果表明的那樣，在上述方法中，為了得到所需要的結果，使微小氣泡的直徑適當也是很重要的。
在上述分析中，得到了當噴出直徑為500μm左右的微小氣泡8時可形成最理想的空隙區域的結果。但是，上述分析是采用全長為7m的模型船、流速為1.981m/s的情況下得到的。如果根據本發明者等人后面的分析，在真實的船上，可獲得這樣的經驗知識將微小氣泡直徑設計在1mm(1000μm)左右時可得到如圖20C所示那樣理想的空隙率分布。
如上所述，本發明是這樣的技術在船體2的船首部4的浸水部吃水淺的位置，從所需流線的起點附近向水中吹入微小氣泡，通過使該微小氣泡順著上述流線流動，在船體2的周圍形成所要的空隙率分布。通過適當設定微小氣泡的吹出位置、微小氣泡的直徑、吹出空氣速度與主流速的相互關系(關于這一點將在后面敘述)，只從船首部吹出微小氣泡就可在船體周圍得到所需要的空隙率分布，據此可降低摩擦阻力。并且，由于微小氣泡吹出口設在靜壓力小的位置，且是設在吃水淺的位置，所以吹出能量很小就可以了，不會象過去那樣，摩擦阻力降低所節約的能量被空氣吹出能量抵消，從而可切實降低總動力的消耗。
下面，參照圖21至圖28B說明將上述方法實際應用到真實的船舶上時的情況。
圖21A及圖21B所示是本發明的采用上述船體摩擦阻力降低方法的低摩擦阻力船1的一實施形式，在流線F.L.上的、靜水頭最小的(比吃水線D.L.稍下側的位置)且靜壓力小的位置上設計加壓空氣的吹出口10，而流線F.L.是從船體2的船首部4的浸水部左右舷側位置上流向船底5的流線。該空氣吹出口10的位置，是對應能有效降低摩擦阻力的、可形成高空隙率的流線F.L.而設定的，而流線F.L.是根據前面掌握的空隙率的分布情況求出的。
在船體2的船首部4內的臺基11上，設置由電動機12驅動的鼓風機13作為加壓空氣供給源。裝在流量調節閥15上的送風管16，從該鼓風機13的排出口分開向左右延伸。這些送風管16的另一端分別連接在設有上述空氣吹出口10的空氣吹出管17上。
上述空氣吹出管27，如圖22所示那樣，由前面開口的喇叭形通海閥口18以及多孔板20構成，多孔板20設在該通海閥口18的前面開口部上，且以預定間距沿板厚方向貫通設計多個小孔19。因此，這時，設在該通海閥口18前面的該多孔板20構成了上述空氣吹出口10。多孔板20在真實的船上為不銹鋼制成，厚度最好在2～3mm以上。多孔板20也可由陶瓷材料制成，或者也可由高分子材料制成。
這時，在上述多孔板20上形成的上述小孔19的直徑是2mm，且以5mm的間距縱橫排列。如果根據本發明者等人的研究，在一般船舶的航行速度下形成直徑約1mm的微小氣泡最合適。不過，也可將小孔19的排列間距設在2.5～5倍小孔直徑的范圍。如果將氣泡直徑(約為1mm)設計得比小孔19的直徑(2mm)還小，則水流對氣泡有剪切作用，認識到這樣的事實這一點也是本發明的成果。
圖23所示表格，是從上述多孔板20，即其上有直徑為2mm的小孔19以5mm的間距排列的多孔板吹出壓縮空氣時，在改變吹出速度和主速度(即船舶速度)的情況下微小氣泡的直徑變化表。
如從該表中了解的那樣，如果除去幾個例外，總體而言，水的流速越大且吹出速度越大，則生成氣泡的直徑越小。因此，為了使微小氣泡保持所需直徑-大約1mm，在改變船的航行速度時，例如船速增大時，要減小空氣吹出速度；反之，航行速度減小時，則要增大空氣吹出速度。
而在船舶1航行時，啟動上述電動機12以驅動上述鼓風機13，通過上述送風管16將加壓空氣導入通海閥口18內，再通過多孔板20的小孔19吹入水中。這樣，壓縮空氣從小孔19變成直徑約為1mm的微小氣泡注入水中。
所產生的微小氣泡8順著所定流線F.L.沿船體2的邊界層從船體2的兩側一邊向船尾一邊向下方移動，從而旋入船底5的下面。這樣，在船體2的周圍形成所需要的空隙區域，可降低船體2的摩擦阻力。
如上那樣只將上述空氣吹出口10設在船體2的船首部4處，且設在吃水淺、靜壓力小的位置，所以，生成微小氣泡8所需的能量很小就可以了。隨著船舶1航行速度的變化，在必須改變微小氣泡8的直徑時，可通過調節上述流量調節閥15的開度來調節加壓空氣的供給量，從而達到目的。
圖24是本發明的低摩擦阻力船的另一實施形式的示意圖。該實施形式在圖21A,B所示的船舶1上，在上述空氣吹出口10的下方增設了又一個空氣吹出口10，成為上下兩處設有空氣吹出口的形式。而且，在下部空氣吹出口10上也設有空氣吹出管17，空氣吹出管17與裝有流量調節閥15的送風管16連接，從而可在上下選擇所要使用的空氣吹出口10。
如上所述，本發明的船舶，其特征之一是空氣吹出口10設在靜水頭小的部位即吃水線D.L.附近。因此，也要考慮到在船舶負荷的變化(例如由于負載負荷的變化)改變時，吃水線D.L.下移，空氣吹出口10從水中露出的情況。在根據上述構成的船舶1上，如圖24中點劃線所示，例如在空載時吃水線D.L.下移的時候，關掉設在與上部的空氣吹出口10連接的送風管的流量調節閥15并打開設在與下部的空氣吹出口10連接的送風管16上的流量調節閥15，使其只從下部的空氣吹出口10產生微小氣泡8。這樣，可對應吃水線D.L.的變化生成微小氣泡8。當然也可以在上下方向上的3個以上的位置設置上述空氣吹出口10。
下面，是圖25所示的本發明的低摩擦阻力船的又一實施例。該實施例在圖24所示的船舶上，進一步在前后方向上也增設了上述空氣吹出口10。對應各空氣吹出口10、10、10…是連接裝有流量調節閥15的各送風管16。
如果如圖25所示那樣構成，不僅可對應吃水線D.L.的變化，還可對應船速的變化精確地確定微小氣泡的吹出位置。即，由于航行速度的變化使可以獲得最佳摩擦阻力降低效果的最佳流線F.L.的位置變化時，也可根據選擇前后的空氣吹出口10與之對應。這時，各空氣吹出口10的選擇可通過對應上述各空氣吹出口的上述流量調節閥15的開閉動作來進行，這些流量調節閥15的操作也可設計成對應船速自動控制的形式。
圖26A～圖26E所示是空氣吹出口10的其他實施形式。在如上已說明的上述實施形式中，是預先形成空氣吹出口10(即，在船體建造時形成)的情況，而在該實施形式中，空氣吹出口10是后裝在船體2的外面的。
如圖26A所示，空氣供給管14從鼓風機13向船體2的甲板3上延伸，多根送風管16從該空氣供給管延伸到空氣吹出口10并與之連接。這時，送風管16具有可繞性，可順著船體2側面的曲面配置。
圖26C所示是圖26B的A-A斷面，圖26D所示是圖26B的B-B斷面。在圖26C中，標號22所指是焊接在船體2的外板上的鋼制隔離件。這些隔離件22由4根材料組成矩形框架而構成，多孔板20安裝在其上將其開口面封住。在多孔板20上以5.0mm的間距縱橫布置成直徑為2.0mm的小孔。并且，如圖26C、D、E所示那樣，為了盡量避免波浪對這些空氣吹出口10以及送風管16造成影響，將上述隔離件22的外周以及上述送風管16的兩側設計成喇叭形23。
根據該實施例，只要可確保設置鼓風機13及驅動鼓風機用的電動機12的空間，就可將本發明用在現有的船舶上。
在以上說明的實施例中，是采用多孔板20作為空氣吹出部，但也可考慮例如在船體2的空氣吹出部，形成如圖22所示的通海閥口18，而在船體2的外板上直接穿設小孔19。并且，在以上實施例中，指示多孔板20是平板，其實當然也可使多孔板20形成與船體2的外表面一致的曲面。
如以上述例子說明的那樣，本發明的低摩擦阻力船1是在船體2的船首部4的吃水淺的位置形成或安裝空氣吹出口10，同時只搭載鼓風機13以及其驅動源，所以，系統非常簡單，因此價格也便宜，并且可獲得可靠的摩擦阻力降低效果。
另外，在上述各實施例中，是以多個小孔作為空氣吹出口10向水中吹出壓縮空氣的形式，這是由于在本發明者等人目前的研究中，該方法最適合用于產生直徑約為1mm的氣泡的場合。不過，本發明的氣泡生成裝置并不限于利用該方法的形式。例如，根據今后的研究，也有可能發明利用傳統使用的縫隙型空氣吹出口器或者噴嘴型空氣吹出器產生所需微小氣泡的方法。這時，可采用那樣的縫隙型或者噴嘴型空氣吹出器作為氣泡生成裝置。
下面，是圖27A,B所示的本發明的低摩擦阻力船的又一實施例。在該實施例中，前面已說明過的上述實施例中的上述空氣吹出口10由下面將要說明的船首碎波導通通路24的排出口26構成。
上述船首碎波導通通路24如圖27A以及圖27B所示那樣，是一條貫通船體2的一部分的隧道式或管狀的導管，它將在船體2的船首部4產生的船首碎波從攝入口25攝入，并將攝入的船首碎波從排出口26吹出。攝入口25在船體2浸水部的船首部前端附近開口，排出口26同樣在該船首部上比上述攝入口25靠后的地方開口。
使上述排出口26在比上述攝入口25更低的位置形成，因此，該船首碎波導通通路24從攝入口25向排出口26斜下方傾斜。排出口26即空氣吹出口10從船首部4沿船體2的表面下到斜后方，并在旋入船底5的所定流線F.L.上開口。因此，船首碎波導通通路24的傾斜，與該流線F.L.的方向大體一致。
船體1航行時，由于在船首部4前方的海水沖撞船首部的前側面而產生船首碎波27。在利用該實施例的船舶1上，船首部4前面產生的船首碎波27的一部分被設在船首部4的兩舷側的上述船首碎波導通通路24的攝入口25攝入，并從排出口26吹出。該吹出的船首碎波27順著所定的流線F.L.沿船體2的浸水部表面從舷側向船底部旋入。
根據以上所述，在上述船首碎波27中含有大量的微小氣泡。因此，該船首碎波27中的微小氣泡順著所定的流線F.L.沿船體2的浸水部表面從舷側向船底部旋入，這樣，與前面說明的實施例一樣可降低船舶1的航行摩擦阻力。
利用該實施例的上述船舶1的情況，與前面的實施例不同，不使用鼓風機等空氣供給源，所以，所得到的微小氣泡的量比使用了空氣供給源的船要少，因而降低摩擦阻力的效果也比使用了空氣供給源的船的效果差。但是，由于沒有空氣供給源，所以不需要用于產生氣泡的動力，從而獲得了動力降低的效果。
圖28A、B所示是圖27A、B所示實施例的改進例。在該實施例中，從空氣供給源6伸出的送風管16的前端部在上述船首碎波導通通路24的內部中間開口。送風管16的安裝，至少在其與船首碎波導通通路24連接的這一邊，使該送風管16的前端部朝向排出口26的方向。
在利用該實施例的例子上，可在攝入船首碎波導通通路24的船首碎波27中混入壓縮空氣，壓縮空氣的噴出力有助于沿著船首碎波導通通路24內流動的船首碎波27的流動，從而使船首碎波27中所含的微小氣泡可以更有效地沿流線F.L.的方向流動。因此，對于因船舶1的航行速度小而沒有形成所需流線F.L.且船首碎波中的微小氣泡生成量少等情況，特別有效。
另外，在該構成中，吹入上述船首碎波導通通路24內的空氣被在船首碎波導通通路內流動的水流分離，使該吹入的空氣中的一部分成為微小氣泡，由此，也可期望補充流線F.L.上的微小氣泡量。
在圖28A、B所示實施例中，已說明過的例子，是在船體2的左舷以及右舷各形成一個船首碎波導通通路24，但也可在上下方向或前后方向或是上下方向以及前后方向上形成多個這樣的船首碎波導通通路24。
另外，在上述實施例中，是對本發明用在集裝箱貨運船1上的情況進行的說明，但本發明也可用在其他所有的船體上，且在這些地方當然也可獲得與上述同樣的作用效果。
權利要求
1．一種降低船體摩擦阻力的方法，其特征在于從水流線(F.L.)的起點附近且靜壓力小的位置吹出所需直徑的微小氣泡(8)，使吹出的該微小氣泡(8)沿上述流線(F.L.)旋入船底(5)，而水流線(F.L.)是從船舶(1)的船體(2)的船首部(4)的浸水部吃水淺的位置沿兩舷船體表面流向船底(5)的流線，這樣，在上述船體(2)的浸水部周圍的區域中至少一部分分布有上述微小氣泡(8)，從而可降低航行時的船體摩擦阻力。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于上述微小氣泡(8)從船體(2)位于船首尾方向上的垂直等距線(S.S.)8.5～10所限范圍以及船體(2)的從浸水部吃水線(D.L.)到浸水部(2/3)的范圍吹出。
3．如權利要求1所述的方法，其特征在于上述微小氣泡(8)的直徑平均大約為1mm。
4．如權利要求3所述的方法，其特征在于從直徑為2mm、以5mm的間距排列的多個小孔(19)向主流速在8m/s以上的的水中吹出空氣。
5．如權利要求3所述的方法，其特征在于在上述船體(2)的航行速度變化時，也可通過對應航行速度改變上述微小氣泡(8)的吹出速度來保持上述的氣泡直徑。
6．一種低摩擦阻力船，其特征在于在水流線(F.L.)的起點附近且靜壓力小的位置設計微小氣泡吹出口(10)，該水流線(F.L.)從船舶(1)的船體(2)船首部(4)的浸水部吃水淺的位置沿兩舷船體表面流向船底(5)；在該微小氣泡吹出口(10)上連接與加壓空氣供給源(13)相連的送氣管(16)。
7．如權利要求6所述的低摩擦阻力船，其特征在于上述微小氣泡(8)的吹出位置位于船體(2)的由船首尾方向上的垂直等距線(S.S.)8.5～10所限的范圍，并且是在船體(2)浸水部的從吃水線(D.L.)到船底之間的(2/3)的范圍。
8．如權利要求7所述的低摩擦阻力船，其特征在于上述微小氣泡吹出口(10)包括縱橫排列的多個小孔(19)。
9．如權利要求8所述的低摩擦阻力船，其特征在于上述小孔(19)直接在船體(2)的外板上形成，或者在與船體(2)的外板一體安裝的或裝在外板上的板體上形成。
10．如權利要求8所述的低摩擦阻力船，其特征在于上述小孔(19)以小孔直徑的2.5～5倍的排列間距排列。
11．如權利要求8所述的低摩擦阻力船，其特征在于上述小孔(19)直徑為2mm，以5mm的間距排列。
12．如權利要求7所述的低摩擦阻力船，其特征在于將上述微小氣泡吹出口(10)設在船體(2)上下方向的多個區域，利用設在上述送氣管(16)上的流量調節閥(15)的操作可以選擇要使用吹出口的那些區域。
13．如權利要求12所述的低摩擦阻力船，其特征在于將上述微小氣泡吹出口(10)設在船體(2)前后方向的多個區域，利用設在上述送氣管(16)上的流量調節閥(15)的操作可以選擇要使用吹出口的上述區域。
14．一種低摩擦阻力船，其特征在于在水流線(F.L.)的起點附近且靜壓力小的位置，形成船首碎波導通通路(24)，而水流線(F.L.)從船舶(1)的船體(2)的船首部(4)的浸水部吃水淺的位置沿兩舷船體表面流向船底(5)；船首碎波導通通路(24)，其用于攝取在船首部(4)產生的船首碎波(27)的攝入口(25)在前方開口，其將攝入的船首碎波吹出的排出口(26)在后方開口，即，排出口(26)在攝入口(25)的下游；該船首碎波導通通路(24)斜向下形成，使攝入的上述船首碎波(27)順著上述線流(F.L.)流向船底方向。
15．如權利要求14所述的低摩擦阻力船，其特征在于在上述船首碎波導通通路(24)內設計將壓縮空氣吹入該船首碎波導通通路內的吹出口。
16．如權利要求15所述的低摩擦阻力船，其特征在于上述壓縮空氣吹出口的軸線朝向上述船首碎波導通通路的上述排出口(26)的方向。
17．一種用于分析船舶上的噴出氣泡的方法，其特征在于是分析從物體的浸水部表面噴向流水中的氣泡的情況的方法；向上述浸水部表面與上述流水之間的邊界層以及/或者浸水部表面附近的水中噴出若干氣泡，同時，求出各被劃分的若干分析單位內的氣泡的數量；改變氣泡的噴出位置，反復求出與上述的一個分析單位并列的分析單位內因擴散而移動的氣泡數量；算出對應各分析單位的氣泡分布情況。
18．如權利要求17所述的分析船舶上的噴出氣泡的方法，其特征在于累計一個分析單位的氣泡數量，根據該氣泡的數量和其容積以及分析單位的容積算出空隙率。
19．如權利要求17或者18所述的分析船舶上的噴出氣泡的方法，其特征在于多次改變氣泡的大小算出上述空隙率。
20．如權利要求17至19中任何一項所述的分析船舶上的噴出氣泡的分析方法，其特征在于以隨機數的形式給出包圍沒水部表面的氣泡以及氣泡相對水流線的擴散，算出氣泡在分析單位上的分布。
21．如權利要求17至20中任何一項所述的分析船舶上的噴出氣泡的分析方法，其特征在于可根據(1)至(3)式求出單一氣泡的運動規律(其中，mb是單一氣泡的質量[kg]；mA是單一氣泡的附加質量[kg]；X、Y、Z是氣泡的相位[m]；μ是粘性系數[pa·s]；db是氣泡的直徑[m,μm]；u、v、w是流速的時間平均值[m/s]；u′、v′、w′是紊流速度[m/s]；ρ是密度[kg/m3]；ν是運動粘性系數[m2/s]；V是單一氣泡的體積[m3]；P是絕對壓力[pa]；Nx、Ny、Nz是氣泡在壁面上時所受到的來自壁的垂直阻力[N]；g是重力加速度[m/s2])。(mb+mA)X..=6πμL(db/2)(μ-L+μL′-X.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(v-L+vL′-Y.)(∂u-L∂x)12+(w-L+wL′-Z.)(∂w-L∂x)12}]]>-V∂P∂x+Nx---(1)]]>(mb+mA)Y=6πμL(db/2)(v-L+vL′-Y.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(w-L+wL′-Z.)(∂w-L∂y)12+(u-L+uL′-X.)(∂u-L∂y)12}]]>-V∂P∂y+Ny-ρLgV+mbg---(2)]]>(mb+mA)Z..=6πμL(db/2)(w-L+wL′-Z.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(u-L+uL′-X.)(∂u-L∂z)12+(v-L+vL′-Y.)(∂v-L∂z)12}]]>-V∂P∂z+Nz---(3)]]>
22．如權利要求17至21中任何一項所述的分析船舶上的噴出氣泡的分析方法，其特征在于利用下面的(1)至(10)式求出所定分析單位的空隙率(其中，mb是單一氣泡的質量[kg]；mA是單一氣泡的附加質量[kg]；X、Y、Z是氣泡的相位[m]；μ是粘性系數[pa·s]；db是氣泡的直徑[m,μ m]；u、v、w是流速的時間平均值[m/s]；u′、v′、w′是紊流速度[m/s]；ρ是密度[kg/m3]；ν是運動粘性系數[m2/s]；V是單一氣泡的體積[m3]；P是絕對壓力[pa]；Nx、Ny、Nz是氣泡在壁面上時所受到的來自壁的垂直阻力[N]；g是重力加速度[m/s2]；qL′(i)是紊流速度[m/s]的i階值；xs、ys、zs是單位球體上的任意點；T*L是液相的積分時間標度[s]；εL是液相的能量耗散率[m2/s3]；Δt是取樣時間[s]；kL是液相的紊動能量[m2/s2]；χ是根據(10)式定義的常數；σ是根據(10)式定義的紊流速度的標準偏差[m/s]；γ是正態隨機數。)。(mb+mA)X..=6πμL(db/2)(u-L+uL′-X.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(v-L+vL′-Y.)(∂u-L∂x)12+(w-L+wL′-Z.)(∂wL∂x)12}]]>-V∂P∂x+Nx---(1)]]>(mb+mA)Y..=6πμL(db/2)(v-L+vL′-Y.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(w-L+wL′-Z.)(∂w-L∂y)12+(u-L+uL′-X.)(∂u-L∂y)12}]]>-V∂P∂y+Ny-ρLgV+mbg---(2)]]>(mb+mA)Z..=6πμL(db/2)(w-L+wL′-Z.)]]>+6.46ρL(db/2)2vL12{(u-L+uL′-X.)(∂u-L∂z)12+(v-L+vL′-Y.)(∂v-L∂z)12}]]>-V∂P∂z+Nz---(3)]]>
PV=const. (5)
T*L=3kLϵL---(7)]]>x=e-ΔtT*L---(8)]]>σ=2kL(1-x2)---(9)]]>qL′(i)= χqL′(I-1)+σγ (10)
全文摘要
一種降低船體摩擦阻力的方法、以及采用了該方法的低摩擦阻力船。本發明的降低船體摩擦阻力的方法,其特征在于:從水流線(F.L.)的起點附近且靜壓力小的位置吹出所需直徑的微小氣泡(8),使吹出的該微小氣泡(8)沿上述流線(F.L.)旋入船底(5),而水流線(F.L.)是從船舶(1)的船體(2)的船首部(4)的浸水部吃水淺的位置沿兩舷船體表面流向船底(5)的流線,這樣,在上述船體(2)的浸水部周圍的區域中至少一部分分布有上述微小氣泡(8),從而可降低航行時的船體摩擦阻力。
文檔編號G01M10/00GK1208384SQ96199875
公開日1999年2月17日 申請日期1996年12月3日 優先權日1995年12月4日
發明者加藤洋治, 高橋義明, 吉田有希, 曾子章, 渡辺修 申請人:加藤洋治, 石川島播磨重工業株式會社