用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统

1.本发明涉及微气泡减阻技术领域，更具体地说，涉及一种用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统。


背景技术：

2.微气泡减阻技术是最经济、无污染的减阻方法，其作用方式是将气相介质引入固体表面，在近壁区形成气液两相混合流。根据已有的文献和本团队的研究成果，其减阻的基本原理主要有以下几个方面：(1)降低了壁面边界层附近的流体密度；(2)减小了壁面的湿表面积；(3)均匀了船底附近的压力分布(4)改变了湍流边界层的结构：降低了边界层内的流体速度梯度和涡度，减少了湍动能的生成。
3.根据微气泡的生成方式不同，微气泡法又分为电解法，涂层法和喷气法。这三种方法中喷气法减阻效果最为显著，喷气法又分为被动喷气法和主动喷气法，被动喷气法通常是在船底首部安装多孔板，船舶航行时通过多孔板产生微气泡；主动喷气法是在船底铺设喷气模块，供气设备通过输气管路与喷气模块相连接，通过主动向喷气模块中注入气体来产生微气泡。被动喷气的方法会产生额外的形状阻力，且喷气方式不灵活，故多采用主动喷气法来生成微气泡。
4.由于有关微气泡减阻机理的研究较为稀缺，气流量对减阻的影响机理还未十分明确，工程上应用的喷气管路系统在确定安装形式后，仅能在一个固定的气流量下和气流量分配情况下进行喷气。此类喷气管路系统可以保证船舶在某一特定工况下，气流量和气流量分配处于最佳状态，但根据已有的研究，随着船舶航态(航速、吃水、浮态)的变化，最佳总喷气量及其最佳气量分配状态会发生改变。此时气流量和气流量分配未处于最佳状态，过小的气流量会使船舶减阻效果骤减，过大的气流量会消耗过大的喷气功率进而减小节能效果，并且气流量分配不佳时会造成过多的气泡逃逸，也会影响减阻和节能效果。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，其能够动态的改变总喷气量的大小以及气量在每个喷气模块中的分配情况，以适应于船舶航行时的各种航态，同时由于混压腔的存在可以使喷出的气体的压力更加均匀，起到更好的减阻效果。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，包括供气设备、输气设备、质量流量控制器、气路阀门和喷气模块，所述输气设备包括主输气管和支输气管，所述气路阀门包括主气路阀门和支气路阀门，所述供气设备通过主输气管与主气路阀门连接，所述主气路阀门另外一端与质量流量控制器连接，所述质量流量控制器通过主输气管与多通阀门连接，所述多通阀门通过支输气管与支气路阀门连接，所述支气路阀门通过支输气管与喷气模块连接。
7.按上述方案，所述供气设备为储气罐，或为鼓风机，或为空压机。
8.按上述方案，所述主输气管和支输气管两端的连接处均设置有保证管路气密性的密封装置。
9.按上述方案，所述质量流量控制器通过rs485总线与计算机连接。
10.按上述方案，所述质量流量控制器与计算机通过modbus协议使两者相互通信，所述质量流量控制器通过计算机数字测量和控制流量。
11.按上述方案，所述质量流量控制器包括第一气体入口、气体出口、控制驱动、控制按键、显示屏、数据接口和框架，所述框架的左右两端设置第一气体入口和气体出口，所述框架的顶端设置数据接口，所述框架的表面上部设置显示屏，所述框架中部设置控制按键，所述框架右部设置控制驱动，所述控制驱动设置在气体出口上部。
12.按上述方案，所述质量流量控制器通过数据接口与计算机连接实现计算机实现测量和控制。
13.按上述方案，所述喷气模块包括第二气体入口、混压腔和喷气孔，所述混压腔为圆柱体，所述混压腔的顶端设置第二气体入口，所述混压腔的底部设置喷气孔，所述混压腔内的气体经过混压后从喷气孔喷出。
14.实施本发明的用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，具有以下有益效果：
15.气流量大时微气泡减阻效果更好，但过大的气流量反而会降低减阻效果，船舶在不同的航态下有不同的最佳气流量和最佳气流量分配，微气泡从喷气模块喷出后，由于升力的作用，微气泡会附着在船底，同时也有可能从船体两侧逸出；由于水流的作用，微气泡会随着水流扩散并覆盖在船底，微气泡在船底的覆盖情况时影响微气泡减阻效果的关键因素；当船舶航速较小时，升力对微气泡起主导作用，当气流量过大时，微气泡会从两侧溢出，微气泡的覆盖效果变差；同时溢出的微气泡在船体两侧容易形成漩涡增加粘压阻力，会进一步降低减阻效果；并且由于船速较小，首部喷气模块喷出微气泡不容易覆盖到船中后部分，所以船中喷气模块此时船首有同样的气流量。即船舶在低速时，气流量总量应较小，并且船首船中喷气模块应有相当的气流量分配。当船舶航速较大时，水流减弱了升力作用，微气泡更容易随着水流覆盖船底，且不容易从船底两侧溢出；同时由于水流速度大，船首部喷气模块喷出我的微气泡容易覆盖整个船底；本发明的喷气管路系统中，设置较大的气流量，且船首部喷气模块拥有较大的气流量会起到更好的减阻效果。
16.本发明的喷气管路系统，动态的改变总喷气量的大小以及气量在每个喷气模块中的分配情况，可以更加合理的利用喷气流量，在消耗尽可能低的喷气功率的前提下，达到更好的减阻和节能效果，可以动态的改变总喷气量的大小以及气量在每个喷气模块中的分配情况，以适应于船舶航行时的各种航态，同时由于混压腔的存在可以使喷出的气体的压力更加均匀，起到更好的减阻效果。
附图说明
17.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
18.图1是本发明用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统的结构示意图；
19.图2是本发明用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统在试验船上的布置示意图；
20.图3是本发明的质量流量控制器的结构示意图；
21.图4是本发明的喷气模块的结构示意图。
具体实施方式
22.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
23.如图1-4所示，本发明的用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，包括供气设备1、输气设备2、质量流量控制器4、气路阀门5和喷气模块3，输气设备2包括主输气管2.1和支输气管2.2，主输气管2.1和支输气管2.2两端的连接处均设置有保证管路气密性的密封装置。气路阀门5包括主气路阀门5.1和支气路阀门5.2，供气设备1为储气罐，或为鼓风机，或为空压机。供气设备1通过主输气管2.1与主气路阀门5.1连接，主气路阀门5.1另外一端与质量流量控制器4连接，质量流量控制器4通过主输气管2.1与多通阀门6连接，多通阀门6通过支输气管2.2与支气路阀门5.2连接，支气路阀门5.2通过支输气管2.2与喷气模块3连接。喷气模块3包括第二气体入口3.1、混压腔3.2和喷气孔3.3，混压腔3.2为圆柱体，混压腔3.2的顶端设置第二气体入口3.1，混压腔3.2的底部设置喷气孔3.3，混压腔3.2内的气体经过混压后从喷气孔3.3喷出。
24.质量流量控制器4通过rs485总线与计算机7连接。质量流量控制器4与计算机7通过modbus协议使两者相互通信，质量流量控制器4通过计算机7数字测量和控制流量。质量流量控制器4包括第一气体入口6.1、气体出口6.2、控制驱动6.3、控制按键6.4、显示屏6.5、数据接口6.6和框架6.7，框架6.7的左右两端设置第一气体入口6.1和气体出口6.2，框架6.7的顶端设置数据接口6.6，框架6.7的表面上部设置显示屏6.5，框架6.7中部设置控制按键6.4，框架6.7右部设置控制驱动6.3，控制驱动6.3设置在气体出口6.2上部。质量流量控制器4通过控制按键6.4进行测量和控制。
25.本发明的优选实施例中，包括供气设备1，输气设备2，质量流量控制器4，主气路阀门5.1，支气路阀门5.2，喷气模块3。供气设备1包括储气罐、鼓风机和空压机等可以产生气体的设备。喷气模块3设置于船底，包括混压腔3.2和喷气孔3.3，气体由输气设备2输送到混压腔3.2混压后，从喷气孔3.3喷出；质量流量控制器4设置于输气设备2上，用以控制输送气体的流量；气路阀门5设置于输气设备2上，用以控制输气设备2的通断；输气设备2包括一组主输气管2.1和多组支输气管2.2；主输气管2.1首端与供气设备1连接，主输气管2.1尾端经过三通或四通与多组支输气管2.2首端连接，每一支输气管2.2尾端对应连接每一混压腔3.2；主输气管2.1和每一支输气管2.2上均设置有支主气路阀门5.1，用以控制每一管路的通断；主输气管2.1和支输气管2.2的每一连接处均设置有密封装置，用以保证管路的气密性，支气路阀门5.2可以控制每一支输气管2.2路开口的大小，进而控制气流量在每一喷漆模块中的分配。质量流量控制器4用于对气体的质量流量进行精密的测量和控制。
26.质量流量控制器4包括第一气体入口6.1、气体出口6.2、控制驱动6.3、控制按键6.4、显示屏6.5、数据接口6.6和框架6.7，框架6.7的左右两端设置第一气体入口6.1和气体出口6.2，框架6.7的顶端设置数据接口6.6，框架6.7的表面上部设置显示屏6.5，框架6.7中部设置控制按键6.4，框架6.7右部设置控制驱动6.3，控制驱动6.3设置在气体出口6.2上部。质量流量控制器4通过数据接口6.6与计算机7连接实现计算机7控制流量功能。质量流量控制器4有两种控制模式，一种是使用质量流量控制器4自身控制按键6.4控制；另外一种，使用rs485总线将质量流量控制器4与计算机7连接，通过modbus协议使两者相互通信，通过计算机7数字测量和控制流量。
27.质量流量控制器4的工作原理为：质量流量控制器4的内部有一传感器密封探头，传感器密封探头由速度传感器及温度传感器元件组成，能自动校正温度及压力变化产生的影响。仪表电路将速度传感器加热到高于气体温度的一个常数值，然后测量气体流量的冷却效果。通过测量保持恒定温差所消耗的电功率与气体的质量流量成正比的原理计算流量。
28.本发明的优选实施例中，气体由供气设备1产生，通过主输气管2.1和支输气管2.2传输到喷气模块3，经混气腔混压后从船底喷出，喷气模块3在船底首中部均有布置，可以使微气泡更好地覆盖船底。主输气管2.1中间连接有气路阀门5质量流量控制器4，然后通过四通阀与每一个支输气管2.2连接；每一支输气管2.2中间设置一支气路阀。在喷气过程中质量流量控制器4可以精确地控制喷气流量，通过控制支气路阀的开度可以控制每一支路的喷气流量大小。通过这种方式可以动态调节总喷气流量和气流量分配，以适应船舶不同的航态。
29.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，其特征在于，包括供气设备、输气设备、质量流量控制器、气路阀门和喷气模块，所述输气设备包括主输气管和支输气管，所述气路阀门包括主气路阀门和支气路阀门，所述供气设备通过主输气管与主气路阀门连接，所述主气路阀门另外一端与质量流量控制器连接，所述质量流量控制器通过主输气管与多通阀门连接，所述多通阀门通过支输气管与支气路阀门连接，所述支气路阀门通过支输气管与喷气模块连接。2.根据权利要求1所述的用于微气泡减阻试验船～的喷气管路系统，其特征在于，所述供气设备为储气罐、鼓风机、或空压机。3.根据权利要求1所述的用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，其特征在于，所述主输气管和支输气管两端的连接处均设置有保证管路气密性的密封装置。4.根据权利要求1所述的用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，其特征在于，所述质量流量控制器通过rs485总线与计算机连接。5.根据权利要求1所述的用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，其特征在于，所述质量流量控制器与计算机通过modbus协议使两者相互通信，所述质量流量控制器通过计算机数字测量和控制流量。6.根据权利要求1所述的用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，其特征在于，所述质量流量控制器包括第一气体入口、气体出口、控制驱动、控制按键、显示屏、数据接口和框架，所述框架的左右两端设置第一气体入口和气体出口，所述框架的顶端设置数据接口，所述框架的表面上部设置显示屏，所述框架中部设置控制按键，所述框架右部设置控制驱动，所述控制驱动设置在气体出口上部。7.根据权利要求6所述的用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，其特征在于，所述质量流量控制器通过数据接口与计算机连接实现计算机实现测量和控制。8.根据权利要求1所述的用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，其特征在于，所述喷气模块包括第二气体入口、混压腔和喷气孔，所述混压腔为圆柱体，所述混压腔的顶端设置第二气体入口，所述混压腔的底部设置喷气孔，所述混压腔内的气体经过混压后从喷气孔喷出。

技术总结
本发明涉及一种用于微气泡减阻试验船的喷气管路系统，包括供气设备、输气设备、质量流量控制器、气路阀门和喷气模块，所述输气设备包括主输气管和支输气管，所述气路阀门包括主气路阀门和支气路阀门，所述供气设备通过主输气管与主气路阀门连接，所述主气路阀门另外一端与质量流量控制器连接，所述质量流量控制器通过主输气管与多通阀门连接，所述多通阀门通过支输气管与支气路阀门连接，所述支气路阀门通过支输气管与喷气模块连接。本发明可以动态的改变总喷气量的大小以及气量在每个喷气模块中的分配情况，以适应于船舶航行时的各种航态。态。态。


技术研发人员：裴志勇 李天臣 周彦安 刘正国 张磊
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.11.03
技术公布日：2023/3/7