十字舵与X舵潜艇的水动力性能数值比较

现代潜艇尾操纵面建筑形式主要选择十字舵与X舵,这2种形式的舵各有其优缺点。在以往关于这2种舵形潜艇操纵性水动力的研究中,有研究者通过编制潜艇六自由度运动仿真程序,对十字舵与X舵在水平面和垂直面的水动力性能进行了综合比较,得出X舵的水动力性能优于十字舵。本文以十字舵和X舵Suboff为研究对象,通过CFD数值方法模拟了潜艇直航运动和垂直面变攻角运动这2种具有典型代表意义的运动情况,分别计算了2种舵形潜艇的操纵性水动力,通过分析计算结果,定量地比较了在舵面积相等的情况下十字舵与X舵潜艇的水动力性能,得出与编程仿真相同的结论:X舵的水动力性能优于十字舵。     

十字舵与X舵潜艇的水动力性能数值比较

现代潜艇尾操纵面建筑形式主要选择十字舵与X舵,这2种形式的舵各有其优缺点.在以往关于这2种舵形潜艇操纵性水动力的研究中,有研究者通过编制潜艇六自由度运动仿真程序,对十字舵与X舵在水平面和垂直面的水动力性能进行了综合比较,得出X舵的水动力性能优于十字舵.本文以十字舵和X舵Suboff为研究对象,通过CFD数值方法模拟了潜艇直航运动和垂直面变攻角运动这2种具有典型代表意义的运动情况,分别计算了2种舵形潜艇的操纵性水动力,通过分析计算结果,定量地比较了在舵面积相等的情况下十字舵与X舵潜艇的水动力性能,得出与编程仿真相同的结论:X舵的水动力性能优于十字舵.     

船舶在风、流环境下的操纵性数字模型

系统地论述船舶操纵仿真数学模型及计算机模拟,并以MMG操纵运动数学模型及相关的系列实验结果为基础,建立单(双)桨方形舵(流线型舵、单板舵)运输船舶的基本模型,以及在水动力、螺旋桨推力、舵力及其力矩、静水、风、流中的操纵运动模型,导出该模型的无因次化方程组,选择欧拉积分法,积分求解该方程组。利用VB程序模拟了船舶回转运动,其计算结果基本符合实际情况,最后对结果进行了分析。     

舵前进流的选择对桨舵系统性能的影响

为了验证舵前进流的选择对桨-舵系统定常性能的影响,计算了三种舵前进流下的桨-舵系统性能,结果表明,不同进流状态对桨-舵系统性能预报结果十分接近。文中还验证了舵面上诱导速度不取周向平均时对桨-舵定常性能的影响,并对这样计算的诱导速度峰值使用Lagrange插值处理。与试验值比较表明,在计算桨-舵定常性能时,以此方式来计算舵上诱导速度也有效。     

基于船-桨-舵组合系统舵球节能效果数值预报

以KCS船、KP505桨及NACA0018舵为研究对象,基于FINE/Marine软件,运用滑移网格技术,根据提出的翼型舵球尺寸,对粘性流场中的桨-舵、桨-舵-舵球组合系统进行水动力性能计算。计算得出该翼型舵球在低进速下,最佳节能效果可达1.66%。在此基础上,对船-桨-舵、及船-桨-舵-舵球系统进行计及自由液面的非定常干扰数值模拟,计算结果表明船-桨-舵-舵球系统的计算结果与桨-舵-舵球系统计算值趋势一致,且该舵球在航速V=2.1968m/s时,其节能效果达2.06%,是相同进速系数下,桨-舵-舵球组合系统的两倍左右,验证了该翼型舵球在两种组合系统下的节能效果,为舵球的实际工程应用提供了重要的理论依据。     

高速旋回潜体对差动舵角运动响应研究

分离式舵不同操舵方式可产生差动舵角,目前,针对差动舵角对高速机动潜体的旋回运动特性研究尚未完全展开。为此,本文以分离式舵6DOF运动方程为基础,研究差动舵角对高速旋回潜体运动姿态、特别是横倾的控制能力,比较不同差动舵角对潜体定深、变深运动姿态的影响。研究结果表明,差动舵角对于潜体高速旋回时的运动姿态、特别是横倾有较强的控制、抑制能力。     

高速旋回潜体对差动舵角运动响应研究

分离式舵不同操舵方式可产生差动舵角,目前,针对差动舵角对高速机动潜体的旋回运动特性研究尚未完全展开。为此,本文以分离式舵6DOF运动方程为基础,研究差动舵角对高速旋回潜体运动姿态、特别是横倾的控制能力,比较不同差动舵角对潜体定深、变深运动姿态的影响。研究结果表明,差动舵角对于潜体高速旋回时的运动姿态、特别是横倾有较强的控制、抑制能力。     

基于减摇鳍辅助回转的船舶操纵性能研究

基于MMG分离式建模思想,考虑作用在船体、螺旋桨、舵、鳍的水动力作用,建立双桨双舵船舶四自由度非线性数学运动模型,对某船模在静水中的回转性能进行仿真分析,将单独舵控制的仿真结果与船模试验结果进行了验证和分析,并对比了单独舵控制和舵、鳍联合控制下的回转性能,结果表明鳍参与控制回转时能明显缓解回转过程中的横倾。     

船舶矢量舵减横摇控制系统

针对未加装减摇装置系统的船舶的横摇运动问题,本文提出由舵和翼舵构成2个相对独立的矢量控制面减横摇稳定控制系统,建立了矢量舵控制力矩和扭矩与舵角、翼舵角的m阶回归模型,给出了拟合精度。设计了系统μ-鲁棒控制器,本系统能量最小指标下设计了基于改进遗传算法的舵角/翼舵角智能协调决策器。仿真结果表明,在保证航向控制精度同时,矢量舵减横摇μ-鲁棒控制系统能有效减小横摇,降低系统能耗,且增强了抗系统参数摄动的鲁棒性。     

基于CFD技术的节能舵球节能效果数值预报

基于CFD技术,分别预报了单个螺旋桨、桨舵组合的水动力性能,并将计算结果与试验值比较,结果显示预报结果与试验值吻合良好.在此基础上,对螺旋桨-舵-舵球组合进行了计算,并比较了舵球设计参数对节能效果的影响.计算结果表明,舵球可以有效地提高螺旋桨的效率,在舵球直径与螺旋桨直径之比为0.292时,其节能效果最好,达7.66％.     

翼型舵球几何参数对桨-舵系统节能效果的影响

以KP505桨及NACA0018舵为研究对象,基于CFD软件FINE/Marine,运用滑移网格技术分别预报了单个螺旋桨及桨-舵组合系统的水动力性能.计算结果表明:裸桨的预报结果与实验值吻合良好,在进速系数为0.1~0.8时,相对误差均在5%以内,且在低进速下,桨-舵系统总效率较裸桨效率有所提高,最高提高1.27%;在高进速下,桨-舵系统总效率降低较大,最大降低6.36%.在此基础上,对桨-舵-舵球组合系统进行计算,通过改变翼型舵球的几何参数,讨论舵球尺寸对桨-舵系统节能效果的影响.结果表明:当翼型舵球剖面相对厚度比为0.28,且最大直径与螺旋桨直径之比为0.16时,节能效果最好,最佳节能效果达到1.62%.同时,通过对桨-舵系统与桨-舵-舵球系统的尾流场进行比较分析,得出舵球的节能原理,为舵球的实际工程应用提供了重要的理论依据.     

随浪规则波中ONR内倾船纯稳性丧失黏流模拟方法研究

纯稳性丧失作为5种典型的船舶在波浪中运动失稳的模式之一，是波峰位于船舯时复原力显著减小而导致船舶大幅横摇甚至倾覆的运动失稳现象。论文采用STAR-CCM+商业软件，模拟全附体ONR内倾船在随浪下的纯稳性丧失现象。数值模拟中采用重叠网格技术实现船-桨-舵耦合的多体运动求解，通过速度边界条件进行造波，采用欧拉叠加模型进行消波，考虑了实船螺旋桨的旋转因素，对舵进行自动控制来实现航向的稳定。模拟了ONR内倾船在不同航速下发生纯稳性丧失导致大幅横摇甚至倾覆的过程，并与试验结果进行了对比，最大横摇幅值的计算值与试验值趋势一致。分析了在不同航速下舭龙骨、桨、舵等附体力和力矩的变化。论文建立的CFD数值模拟方法，为更加细致地分析波浪中纯稳性丧失的运动现象提供了技术支撑，为后续势流方法中的螺旋桨、舵等附体力学模型的改进提供了参考。     

大型船舶运动方程辨识方法研究

针对大型船舶水面二阶运动方程参数辨识问题,提出了一种舵效参数K与时间参数T独立辨识的方法。该方法利用恒舵角机动来辨识舵效参数K,在船舶恒舵角机动完成后,再进一步利用零舵角运动来辨识时间参数T,通过某型船舶的实验测试验证了所提出的辨识算法的有效性。     

船舶舵减横摇H∞鲁棒控制系统

研究了船舶舵减横摇鲁棒控制系统设计问题。根据船舶运动和流体力学原理,指出了舵上产生的横摇力矩及船舶航向(艏摇)与横摇的分频特性,是舵-航向/横摇综合控制技术的基础。提出广义输出干扰的概念,将舵减横摇控制系统广义对象的奇异控制问题转化为非奇异标准控制问题,给出了艏摇/横摇耦合运动的线性分式变换模型和广义对象状态空间实现,设计了舵减横摇H∞鲁棒控制系统,并用结构奇异值理论对所设计的系统进行了鲁棒稳定性和鲁棒性能分析。通过数字仿真,证明所设计的控制系统具有良好的减摇控制效果和鲁棒性。     

基于滑移网格与RNGκ-ε湍流模型的桨舵干扰性能研究

结合RNGκ-ε湍流模型,运用滑移网格技术对粘性流场中桨舵相互干扰引起的三维非定常湍流进行了计算,得到了随进速系数的变化,桨舵之间相互干扰性能的变化规律;同时获得了桨舵干扰性能随桨舵之间的距离的改变而相应的变化规律.文中给出了桨舵干扰水动力性能的计算结果,并与试验测量值作了比较.从对计算结果的分析可知,利用滑移网格技术及RNG κ-ε湍流模型,可以较好地模拟桨舵干扰的水动力性能问题.同时文中分析了桨舵表面压强分布规律以及舵的存在对螺旋桨尾流场的影响.     

基于体积力法的半悬挂舵和全悬挂舵回转性对比

针对半悬挂舵和全悬挂舵回转性能差异问题,建立用于模拟螺旋桨推力的体积力模型,评估两种不同形式舵的回转性。对标模KCS船型回转运动进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模拟,船后螺旋桨作用使用体积力模型替代。开展半悬挂舵回转性CFD模拟,并与试验结果对比验证。设计全悬挂舵并模拟其回转性,与半悬挂舵回转性进行比较。结果显示,半悬挂舵除战术直径与试验结果相差9.48%外,其他回转特性参数与试验结果相差均在3%以内,说明基于体积力法模拟回转性具有较高的可信度。全悬挂舵的回转特性参数均优于半悬挂舵,说明全悬挂舵的回转性能更佳。     

潜艇高速空间旋回运动分离舵横倾控制的数值研究

基于RANS方法,以全附体SUBOFF潜艇模型为研究对象,采用重叠网格嵌套滑移网格技术处理潜艇-舵相对运动,对不同螺旋桨转速下的潜艇空间旋回运动时的横倾控制开展研究。计算结果表明,分离舵的横倾控制效果较好,潜艇横倾角能迅速和平稳地过渡到静横倾角,实现了潜艇无横倾状态下的高速空间旋回运动,保障了潜艇姿态安全。分离舵的横倾控制对潜艇初期回转性能存在不利影响,但对定常回转性能的影响较小。     

两种响应型船舶运动模型的对比及适用性分析

船舶运动模型作为自动舵性能检测平台的基础与核心,对于自动舵的研发、调试及船舶运动控制算法的设计都有非常重要的意义。现有的航迹航向自动舵检测平台普遍使用简化的一阶线性KT方程。由于忽略船舶回转运动中的纵向速度变化以及首摇角与横向速度之间的耦合,在实际使用中具有一定的局限性。本文引用国际电工委员会制定的航迹自动舵标准(IEC62065)中提出的船舶运动模型,并对其进行仿真,将仿真结果与一阶线性KT方程的仿真结果进行对比分析,讨论一阶线性KT方程的适用范围。同时介绍改进的一阶非线性KT方程的形式并进行仿真试验,结果表明其与IEC62065中非线性模型相似度较好,且减少了计算量。     

矢量泵喷推进潜航器回转性能研究

泵喷推进器已经逐渐成为现代潜航器的首选,矢量推进器也在航空航天领域得到了广泛的应用。为了解决传统依赖船舵控制在低航速下控制效率低的问题以及提高潜航器回转性能,矢量推进器在潜航器上的应用已逐步成为国内外关注的热点。本文考虑大舵角（喷管偏角）下潜航器各参数非线性的影响,建立潜航器水平面操纵运动的非线性模型。通过仿真研究分析船-舵-推进器、船-矢量推进器和船-舵-矢量推进器三种不同的控制方法下潜航器在低航速、控制泵喷推进器转速、控制潜航器轴向航速三种不同条件下作水平面回转运动时的回转性能,结果表明矢量泵喷推进器可以有效改进潜航器的回转性能。     

超空泡航行体楔形舵片流体动力学特性数值模拟

舵片是保证超空泡航行体运动稳定性和控制航行弹道的重要部分。文章基于均质平衡流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,计算了单独舵片的流体动力特性,并与试验数据进行了对比,结果符合较好,验证了计算模型的有效性。基于此方法,计算了单独舵片发生空化后在不同操舵状态下的非定常流体动力变化。结果表明,在攻角相同时,操舵状态下舵片的非定常升力系数和定常结果差别不大,而非定常阻力系数大于定常结果,并且操舵速度越快,阻力系数越大。另外计算了舵片发生空化后的流体动力系数,结果显示在攻角相同时,舵片的阻力系数和升力系数均小于其在全湿状态下的结果;在空化状态下,舵片升力系数的斜率小于全湿状态,并且舵片升力系数的斜率是变化的,存在某临界攻角,攻角大于此临界值时,升力系数的斜率减小,而此临界攻角恰好为舵片的吸力面刚刚出现空化时的攻角;操舵状态下舵片的阻力系数和升力系数的变化规律与定常结果一致,但是数值偏小。