本发明属于水下减阻，具体涉及一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统及方法。
背景技术：
1、随着能源与环境污染等问题日益凸显，如何有效减阻成为船舶提速和节能领域的关注重点。通气减阻系统是利用通气装置在船舶表面形成气层，利用水与气体的密度、粘度差异，通过船舶实际浸湿面积的减少降低运动船舶的总阻力。通气减阻系统因其结构简单、易于操作以及经济性好等优势，成为节能减排、提速增程的一条重要技术途径。
2、现有技术中，通气减阻多采用高压气体由管路输送至船底微孔喷出的方法，但气泡大小受限于微气孔的尺寸，小尺度气泡需要大量的微气孔生成，增大船舶总施工成本，而且微气孔尺寸很小，容易造成堵塞；采用高压管道喷射，压降梯度极大，空气压缩机产生空气所需的压强与船舶吃水成正相关，所需船舶减阻成本也会随之增加，另外管道喷射气体湍流度较大，喷射压力不足导致气泡难以均匀分布。船底气泡上浮和逃逸严重，船侧通气会因背压差异干扰会出现气层厚度不均匀，致使减阻效果大打折扣。
3、因此，本发明提出一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统及方法。
技术实现思路
1、要解决的技术问题：
2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统及方法，该系统采用毛细管束作为气体运输管道，然后通过内腔布置格栅结构的气体释放单元将气体释放于航行器待减阻表面，克服了现有气体运输管路因背压差异干扰所产生的影响。且本发明采用分模块设计，将总气流均匀分配后经多个气体释放单元排出航行器外，能够实现待减阻表面气膜层的均匀性。
3、本发明的技术方案是：一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，包括依次连通的供气系统、气体输送系统、气体释放系统，由供气系统提供高压气源，并对高压气体进行压力、流速、温度、流量控制，将处理后的高压气体分流后通过气体输送系统通入气体释放系统，释放于减阻表面形成均匀气膜层；所述气体输送系统由支路管路和多个并联设置的毛细管束构成，对供气系统产生压力降；所述气体释放系统由多个气体释放单元构成，与多个毛细管束一一对应设置，将毛细管束通入的高压气体缓冲后均匀释放于减阻表面。
4、本发明的进一步技术方案是：所述毛细管束整体呈螺旋形，由一簇等径的等高圆柱形毛细管组成，各毛细管的管径恒定，内径为0.1-8mm，长度为100-60000mm，材质选择铜管或者不锈钢管。
5、本发明的进一步技术方案是：所述毛细管长度的计算公式如下：
6、
7、其中，k为气体比热比，ρ为过流断面处气体密度，v为流速，d为毛细管直径。
8、本发明的进一步技术方案是：所述毛细管束的入口处设置过滤干燥器，以清洁干燥通入气体。
9、本发明的进一步技术方案是：所述供气系统包括通过主管路依次连通的高压气源、调压阀、截止阀、气罐、止回阀、冷凝装置、过滤干燥器、流量计，通过调压阀和截止阀控制高压气源输出气体的压力，通过气罐对高压气体进行缓冲和储备，通过止回阀防止气体的倒流，通过冷凝装置对高压气体进行冷却降温，通过过滤干燥器对高压气体进行干燥，通过流量计对高压气体的流量进行控制和监测。
10、本发明的进一步技术方案是：所述高压气源为电动气泵、空气压缩机或高压储气罐。
11、本发明的进一步技术方案是：所述流量计下游连通分配器，分配器的输出端与多个支路管路连通，能够将主管路的高压气体等量分配至各支路管路，由支路管路将气体通入毛细管束。
12、本发明的进一步技术方案是：所述气体释放单元为内置整流格栅的空腔结构，其进气口通过进气接头与毛细管束的出口连通，并在连通处设置止回阀，以防止气体倒流；其出气口设置多孔介质板，气体经空腔内栅格整流后从多孔介质板排出至减阻表面，形成减阻气膜层。
13、本发明的进一步技术方案是：所述气体释放单元内的整流格栅为双层结构，沿气流方向依次为上层整流格栅、下层整流格栅；所述整流格栅的格栅孔通流面积与整个整流格栅通流面积的比值为0.8～1.0，且上层格栅的面积比要大于下层格栅，上层格栅和下层格栅布置于空腔内距毛细管出口端1/3～2/3位置处。
14、一种克服水下背压差异干扰的减阻方法，具体步骤如下：
15、在高压气源的输出总管路上依次设置调压阀、截止阀、气罐、止回阀、冷凝装置、过滤干燥器、流量计，用以对高压气体进行压力、流速、温度、流量控制；
16、将多个毛细管束并列设置，其进气口分别通过支路管路与总管路的输出端连通，出气口与气体释放单元进气端连通，对总管路的高压气源进行压力降后通入气体释放单元；
17、将气体释放系统中各气体释放单元的多孔介质板通气口均设置于船舶和航行器待减阻表面，且各气体释放单元在船舶和航行器上沿中心线对称分布；
18、通过传感器将气膜层信息数据发送至控制中心，以反馈气膜厚度和均匀度数据；
19、基于所反馈数据对毛细管束进行优化，以得到克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统。
20、有益效果
21、本发明的有益效果在于：
22、1.本发明一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统及方法，采用气体释放单元表面分布式的补气方式，不仅克服水下背压差异干扰而产生气层厚度不均匀的弊端，而且释放单元由空腔、整流格栅及多孔介质层构成，使得气体释放更加均匀稳定，防止射流引起的气膜层不均匀分布，保证船舶和航行体表面气层均匀铺展。另外结合超疏水表面，多孔介质表面超疏水处理以及表面超疏水涂层既可以维持稳定气层，进而降低在水中航行时的摩擦阻力，最终提高燃油经济性效果，还能对海水的腐蚀产生较好的防腐蚀效果，以保证供气系统的长期正常运行，延长工作表面的使用寿命。
23、2.本发明的毛细管束作为节流降压的输送管道，具有结构简单，无运动部件，修理方便，工作安全可靠，节流稳定等特点。在通气过程中，依靠其流动阻力沿长度方向产生压力降以控制流量和压差，可以保证工作性能得以正常、高效地发挥。
24、3.本发明的气体释放装置的数目可以根据实际吃水和动力需要确定，装置尺寸、形状也可根据具体船舶和航行器作相应调节，具有很大的应用市场和发展前景。
25、4.本发明的气源所提供压缩空气，具有一定的压力，可成为一种具有作功能力的工质。由于压缩空气有其独特的技术性能，安全可靠，具有较好的可压缩性，便于储存和输送，没有起火危险，且空气来源方便，取之不尽，所以在船舶上得到广泛使用。该船舶气泡减阻系统设计结构极为简洁，且所包含的零件数量相对较少，利于实现制造、组配，具有良好的经济性，利于进行大规模应用、推广。
1.一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：包括依次连通的供气系统、气体输送系统、气体释放系统，由供气系统提供高压气源，并对高压气体进行压力、流速、温度、流量控制，将处理后的高压气体分流后通过气体输送系统通入气体释放系统，释放于减阻表面形成均匀气膜层；所述气体输送系统由支路管路和多个并联设置的毛细管束构成，对供气系统产生压力降；所述气体释放系统由多个气体释放单元构成，与多个毛细管束一一对应设置，将毛细管束通入的高压气体缓冲后均匀释放于减阻表面。
2.根据权利要求1所述一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：所述毛细管束整体呈螺旋形，由一簇等径的等高圆柱形毛细管组成，各毛细管的管径恒定，内径为0.1-8mm，长度为100-60000mm，材质选择铜管或者不锈钢管。
3.根据权利要求2所述一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：所述毛细管长度的计算公式如下：
4.根据权利要求3所述一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：所述毛细管束的入口处设置过滤干燥器，以清洁干燥通入气体。
5.根据权利要求1所述一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：所述供气系统包括通过主管路依次连通的高压气源、调压阀、截止阀、气罐、止回阀、冷凝装置、过滤干燥器、流量计，通过调压阀和截止阀控制高压气源输出气体的压力，通过气罐对高压气体进行缓冲和储备，通过止回阀防止气体的倒流，通过冷凝装置对高压气体进行冷却降温，通过过滤干燥器对高压气体进行干燥，通过流量计对高压气体的流量进行控制和监测。
6.根据权利要求5所述一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：所述高压气源为电动气泵、空气压缩机或高压储气罐。
7.根据权利要求6所述一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：所述流量计下游连通分配器，分配器的输出端与多个支路管路连通，能够将主管路的高压气体等量分配至各支路管路，由支路管路将气体通入毛细管束。
8.根据权利要求1所述一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：所述气体释放单元为内置整流格栅的空腔结构，其进气口通过进气接头与毛细管束的出口连通，并在连通处设置止回阀，以防止气体倒流；其出气口设置多孔介质板，气体经空腔内栅格整流后从多孔介质板排出至减阻表面，形成减阻气膜层。
9.根据权利要求8所述一种克服水下背压差异干扰的表面分布式通气减阻系统，其特征在于：所述气体释放单元内的整流格栅为双层结构，沿气流方向依次为上层整流格栅、下层整流格栅；所述整流格栅的格栅孔通流面积与整个整流格栅通流面积的比值为0.8～1.0，且上层格栅的面积比要大于下层格栅，上层格栅和下层格栅布置于空腔内距毛细管出口端1/3～2/3位置处。
10.一种克服水下背压差异干扰的减阻方法，其特征在于具体步骤如下：
