马格努斯圆柱及变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响北大核心CSCD

[目的]旨在研究马格努斯翼型和变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响及其优化,以提高无人帆船的航行效率。[方法]采用CFD方法,以NACA 0021翼型作为无人帆船主翼帆的基准翼型,在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱,分析马格努斯圆柱关键参数(直径、位置和间隔)对翼型升阻特性的影响规律;在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱的基础上,将襟翼帆嵌入主翼帆尾缘,研究不同襟翼帆偏转角下翼型周围流场和升阻特性及其对无人帆船推力性能的影响规律。[结果]结果表明:在大攻角下,马格努斯圆柱对翼型气动性能具有提升作用,在所研究参数范围内翼型升阻比与马格努斯圆柱位置正相关,与马格努斯圆柱直径和间隔负相关,其中圆柱的直径和间隔对翼型气动性能影响较大,位置的影响最小;在小攻角下,变角度襟翼帆对翼型气动性能的提升更明显,在0°~15°攻角内,翼型的升阻比与襟翼帆偏转角正相关;在马格努斯圆柱及襟翼帆共同作用下,风帆推力系数最大提升27%,且与襟翼帆的偏转角正相关。[结论]研究结果可为马格努斯圆柱及嵌入式襟翼帆在无人帆船领域的应用提供参考。     

差动操帆对风帆船节能的影响评估

利用风能的翼型风帆助推技术是运输船舶满足EEDI高阶段指标的重要技术措施之一。以一左右舷横向对称布置两对翼型风帆的油船为研究对象，选取典型相对风向角，分别采用烟流流动显示试验和风洞测力试验的方法，从定性和定量两个方面分析双帆横向间距变化及不同操帆控制策略对风帆组气动特性的影响；在此基础上，通过求解计及横倾的四自由度MMG非线性运动方程组，评估压载吃水下双帆横向间距及其操纵控制策略对风帆组节能的影响。研究表明：横风作用下，沿船宽横向布置的两帆间存在着相互干扰，通过合理的操纵控制，可提高风帆组的推进性能；两帆横向间距越小，帆-帆干扰效应越明显，为最大限度地发掘风帆组的整体助推潜力，需要差动操帆的角度也越大；相较同步操帆最优状态的推力增量，同时差动操纵背风侧两帆，风帆组推力增量可再提高约7.7%，压载吃水下风帆组的综合节能收益可达22.7%。     

帆数量对低攻角多翼帆系统推进性能的影响

基于雷诺平均的湍流处理方法，采用SST k-ω方程湍流模型对控制方程进行封闭，时间离散格式为2阶。使用STAR-CCM+商业软件分析帆数量对多帆系统推进性能的影响，并根据国际拖曳水池会议（ITTC）的不确定度分析规程进行数值不确定度分析。将仿真数据与理论方法和试验获得的数据进行对比以保证计算结果的可靠性。研究结果表明：多帆系统风帆数量增加时，其风帆助航力有明显提升，总推力增加，有更好的助航效果；但推进性能并不是随风帆数目的增加而线性增加，具体的风帆数目确定还需综合考虑稳性、操纵性等其他因素。     

基于CFD的风帆助航船阻力特性研究

现有关于风帆船的研究大多针对帆型的优化,而对风帆助航船阻力特性的研究相对较少.文中以风帆助航船的阻力预报为研究背景,利用数值模拟软件STAR CCM+,对风帆船的阻力特性进行模拟研究.首先,选取椭圆弧形风帆,利用重叠网格技术模拟计算出不同风向、不同几何攻角下的风帆受力情况.然后,将帆与船作为一个整体,应用VOF方法对不同风向、不同漂角下风帆船的阻力性能进行预报.在研究中得到了不同风向下获得较好助推性能所对应的几何攻角;发现了船舶阻力随漂角的增大而增大,且增大的幅度越来越大;得出了该风帆船在设计航速下,通过风帆角度的调整可使阻力减少23.3%.     

帆船整体空气动力性能的数值模拟

针对帆船船体与帆翼之间存在空气动力性能相互影响的问题,基于雷诺平均方程和Standard k-ε湍流模型,对帆船的整体空气动力性能进行了数值模拟和分析。首先考虑帆翼在有/无船体两种情况下,计算得到不同攻角下的帆翼升力系数和阻力系数,以及不同相对风向角下的帆船整体推力系数和横向力系数,通过对比验证了帆翼和船体两者的气动力之间存在着较强的非线性干扰。同时建立帆船整体空气动力数据库,在不同相对风向下,根据帆船气动力随攻角的变化曲线,得到帆船整体的最大推力系数,最终生成不同相对风向角下的最佳操帆规则,为帆船驾驶人员实时调整帆角提供理论依据和数据参考。     

高性能机翼帆的气动特性

高性能机翼帆是一种多翼段(前后四段)可动翼型(NACAOO15)和小展弦比(λ=2)的矩形翼,其最大推力系数C_(xmax)=3.73,而三张帆的最佳布局,可使单位横风截面上的风帆推力提高50％左右。这样,三张多段机翼组合帆的最大推力系数可达5.6,它比现代层流型弯板型刚性帆的C_(xmax)高二倍以上。本文通过对高性能机翼帆气动特性的研究,设计出了一种组合式空气助推器,其经济效益令人瞩目。     

基于海上航线风能资源特征的船舶风帆选型

将风帆装置的气动特性、船舶航线信息和典型航区风能资源特征相结合，提出一个船舶风帆选型方法。根据风洞试验数据分别计算并归一化圆弧形翼帆、滚筒帆、涡轮帆和天帆的风力助推系数和横漂系数；考虑不同航线上风力、风向的概率数据计算出不同风帆的助推指数和横漂指数，将每年12个月的助推指数和横漂指数相加得到总助推指数和总横漂指数；以不同风帆的总助推指数较大，兼顾较小总横漂指数的优选原则，确定最佳的风帆类型。以上海—香港航线和横滨—洛杉矶西段航线为例，利用这种风帆选型方法，计算出2个航线不同风帆助航装置的综合助推指数、横漂指数和总评价指数，确定了2条航线的最佳风帆装置，为船舶风帆的选型设计提供依据。     

可收缩式双尾襟翼帆设计及性能研究

为了在保证船舶航行安全的前提下,促进船舶航运业充分利用海上清洁能源(风能),达到节能减排的目的。文中提出一种新型船舶助航风帆装置——可收缩式双尾襟翼风帆,其具有较传统风帆更自动、灵活的结构特点,即在有利风况下能伸展出更大的展帆面积,有效利用风能,同时保证在不利风况及船舶进出港口和装卸货时能自动折叠收帆,占用较小甲板面积,不影响船舶航行与货运安全.同时利用CFD软件对翼型的气动特性进行了数值模拟计算,并与传统风帆实验数据进行对比,证明其具有高升高阻的特性且推力系数较之传统风帆有显著提高.     

基于CFD和试验的襟翼帆设计研究

对远洋船舶利用风能的特点进行了分析,设计了一种带有缝翼和襟翼形式的襟翼帆,来提高船舶风帆的升力。首先,对该襟翼帆模型的大量参数进行仿真优化,得出了不同参数对模型空气动力学特性的影响规律,并确定了该模型较为理想的参数值,仿真条件下该模型的最大升力系数在2.75左右;然后,对缩小后的模型进行风洞试验,该模型试验的空气动力学特性与仿真吻合较好,最大升力系数在2.52左右(在允许误差范围之内);最后,给出了在海况条件下该模型的相关仿真和实验控制特性曲线图,两者基本吻合,进一步证明了设计的准确性。     

基于约束模型试验的无人帆船速度预报

小型无人帆船在海洋观测领域具有广泛应用前景，而速度极曲线图是无人帆船设计和应用的重要基础。针对一条小型无人帆船的风帆选型问题，采用约束模型试验方法建立了4自由度动力学方程，并借助静态速度预报程序VPP获得了完整的速度极曲线图。基于不同方案的速度极曲线对比，实现了风帆选型的设计目标。为小型无人帆船的速度预报提供了适用的技术手段，对小型无人帆船的设计评估和设计优化具有重要借鉴意义。     

圆弧型风帆空气动力性能的试验研究

为了节能的需要,在现代船舶上采用风帆推进装置的方案又被重新提出。在国外,已成功地发展了机主帆副的船舶(或称风帆助航节能船舶)。据统计,由于利用风帆而得到的节能效果约15％左右,每平方米帆面积平均获得的功率约0.3～0.4马力,我国也已开展这方面的研究工作,并准备用之于实船。 本文结合有关任务,对圆弧型风帆的流体动力性能进行了试验研究,探讨风帆的形式及参数等对空气动力性能的影响。文中给出的资料可供设计风帆时计算推力、横向力及编制风帆自动控制程序之用。     

基于CFD仿真计算的襟翼舵水动力研究

襟翼舵作为一种可靠的、高升力的舵在最近几年内引起了广大设计工作者的重视影响,同时也有不少成熟的研究成果。对襟翼舵的研究主要集中在展弦比,主副舵面积比,转角比等方面,这些因素对襟翼舵的整体影响规律也已得到不少专家的解释。本文主要研究襟翼舵主副舵间间隙大小以及尺度效应对其水动力性能的影响,以普通NACA0020翼型为基本剖面建立不同间隙大小的襟翼舵模型,采用RANS方法计算得到了不同缝隙大小以及不同缩尺比下的襟翼舵升力阻力以及压力分布,并对周围涡结构以及流场进行分析,发现升力系数随着缝隙增大而减小,阻力系数先减小再增大的规律。同时随着襟翼舵尺度的增大,升力系数会随之增大,阻力系数会随之减小。文中以计算模型和实验数据进行对比,两者误差在5%以内,证明了计算结果的可靠性。     

基于CFD仿真计算的襟翼舵水动力研究

襟翼舵作为一种可靠的、高升力的舵在最近几年内引起了广大设计工作者的重视影响,同时也有不少成熟的研究成果。对襟翼舵的研究主要集中在展弦比,主副舵面积比,转角比等方面,这些因素对襟翼舵的整体影响规律也已得到不少专家的解释。本文主要研究襟翼舵主副舵间间隙大小以及尺度效应对其水动力性能的影响,以普通NACA0020翼型为基本剖面建立不同间隙大小的襟翼舵模型,采用RANS方法计算得到了不同缝隙大小以及不同缩尺比下的襟翼舵升力阻力以及压力分布,并对周围涡结构以及流场进行分析,发现升力系数随着缝隙增大而减小,阻力系数先减小再增大的规律。同时随着襟翼舵尺度的增大,升力系数会随之增大,阻力系数会随之减小。文中以计算模型和实验数据进行对比,两者误差在5%以内,证明了计算结果的可靠性。     

无人帆船循迹航行的控制研究

提出一种适用于无人帆船循迹航行的控制器,并应用于一条1.5m长风帆艇的湖上航行测试。该控制器包含三个独立模块,局部路径策略模块决定帆艇的转向过程;帆自动控制模块根据帆位角和相对风向角的对应关系获取最佳推进力;舵自动控制模块基于从航海经验中提炼的245条模糊控制规则实现航迹调整。1.5m帆艇的湖上测试结果表明,该控制器在多种风场条件下都可有效完成帆艇的循迹航行,具有在无人帆船上实现长程航行的应用前景。     

基于EEDI能效指数的船舶风帆助航效能

航运业的CO_2排放量一直倍受环保组织的关注,因此降低船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index,EEDI)也成为国际船舶标准研究的焦点。基于风帆气动特性及受力分析,结合风洞实验的推力系数极图,建立综合风帆推力效益模型,设计一型风帆助航方案,并对风帆在复杂风况下长时期工作的综合效能进行计算。结合台湾海峡气象数据,以一艘散货船为例,对厦门至高雄航线的船舶装帆后的经济、环保综合效益进行分析。综合计算结果表明,风帆助航船的节能效果显著,船舶能效指数显著降低。     

风帆助航船操纵性研究

文中首先建立了风帆助航船的数学模型,计算和分析了帆对船在风中的风速限界线和可自由操纵区的影响,利用最优控制理论推导出使船在风中回转战术直径为最小的操帆规律的近似公式。然后对风帆助航船在风中的回转性能进行了数值计算,研究了帆的位置对船舶操纵性的影响。结果表明,风帆助航船若帆的位置布置得当,且适当地操帆,则其在风中的船舶操纵性能比未装帆时要好得多。     

基于CFD的风帆助航技术效能分析

在模型试验的基础上,运用计算流体力学(CFD)方法,分析了基于机翼理论的风翼帆船利用风能辅助推进的特性.在仿真软件Fluent的仿真计算的基础上,当采用风帆助航技术时,对风帆产生的推力及由此引起船舶阻力变化进行了分析,从而对风帆助航技术的效能进行评估与分析,得出了远洋船舶利用清洁能源(风能)在经济性与环保性方面的可行性.并提出风帆助航技术应用于大型远洋船舶后续需要解决的问题.     

一种折叠式船舶风帆助航设计方案探讨

基于现有风帆助航船舶的设计方案,根据横向力系数和推力系数随拱度比的变化趋势选定风帆参数。该文设计了可折叠帆面、双列布置的风帆方案,解决风帆助航船舶风帆装置对甲板空间占用过大的问题,风况不利、船舶进出港以及装卸货物时亦可实现良好的收帆效果。该文以80000t船为例检验该设计方案对船体稳定性的影响,得出了该新型风帆设计方案可有效降低燃油消耗实现船舶节能减排,并满足船舶安全要求的结论。     

基于ANSYS的船用风帆结构强度有限元模型分析

安装辅助风帆以后，船舶的稳性、偏航及主机输出功率等各种性能都会发生改变，在船舶安装辅助风帆前必须对这些性能变化进行分析计算，为船舶安装辅助风帆进行性能分析及经济性论证提供可靠的依据。以设计制作的A型圆弧形硬帆模型为研究对象，利用ANSYS进行了风帆强度的有限元计算。与试验结果进行对比，结果表明所采用的建模方法是可行的．鼻可以用干囊际斑．棚所串到韵麻由佘新     

基于模型预测控制的无人帆船轨迹跟踪方法

[目的]面向无人帆船在水面、水下跨域异构海洋机器人的协同作业场景,提出基于模型预测控制（MPC）的无人帆船轨迹跟踪方法。[方法]针对“海鸥”号无人帆船,建立其动力学模型及运动学模型,通过分析无人帆船动力学特点及执行器约束条件,构建MPC目标函数及系统约束条件,将无人帆船的轨迹跟踪问题转化为优化问题,并利用Matlab软件开展仿真实验验证。[结果]仿真结果表明,与“帆–舵”分离的PID轨迹跟踪控制方法相比,所提出的无人帆船“帆–舵”联合MPC控制方法更便于添加约束条件,其在风向变化的情况下能以更小的轨迹跟踪误差来更快地收敛于指定轨迹,且其可以实现逆风折线航行。[结论]研究成果可为无人帆船的帆、舵控制提供新的思路,提高其轨迹跟踪能力,进一步为无人帆船与AUV的高效协同作业提供技术保障。