大型双桨船舶的航行自抗扰控制技术研究与仿真

大型双桨集装箱运输船是一种具有双桨和双舵操控系统的船舶,这种船舶的运输效率高,运量大,是国际领先的一种大宗商品运输船。由于双桨船舶航行过程中受风、浪的干扰作用更加明显,因此,提高双桨船舶的航行自抗扰控制技术对提高双桨船舶航行稳定性有重要作用。本文建立了双桨船舶的运动模型,提出一种双桨船自抗扰运动控制器,并对双桨船在一定干扰作用下的运动控制进行了仿真,对于提高双桨船的航行安全有重要的意义。     

船舶航行自抗扰控制器的仿真研究

文章选取带有非线性舵机特性的Nomoto模型作为仿真研究对象。采用经自适应差分算法离线优化过的自抗扰控制器作为船舶航行控制器。仿真结果表明,船舶航行自抗扰控制器在大负载变化和风、浪、流等外界强干扰情况下,具有良好的性能鲁棒性和动态调节能力。     

基于GEKO湍流模型的JBC流场数值模拟

[目的]两方程模型是RANS工程计算中常用的湍流模型,其中SST k-ω湍流模型具有良好的壁面距离自适应性和逆压梯度流预报能力.然而,湍流模型构造过程中引入的经验性参数使得湍流模型不具普适性,为此,研究采用引入流动控制参数的方法提高湍流模型对船舶流场的适用性.[方法]在经典SST k-ω湍流模型的基础上,GEKO(Ge...     

基于CFD的双体船航行阻力研究

为研究双体船结构航行阻力,首先建立其几何模型,并将其简化为一二维流场,将流体力学理论与湍流能量耗散方程相耦合,对船身航行阻力进行流体动力学计算,得到其航行阻力特性参数。计算结果表明:本文采用的方法收敛速度较快,稳定性较好,能够有效计算船舶航行阻力,可为船舶结构设计提供参考。     

船舶动态多速度点的数值模拟研究

为了保障船舶安全,要求船舶沿航行线路稳定航行,当前船舶航运事业不断发展,船舶航行速度受环境、天气、洋流等多种不确定因素的影响,因此当前对船舶动态速度的研究仍存在较多困难,难以对其进行准确计算,易导致船舶航行晚点甚至超速碰撞等问题。基于上述原因提出结合水面微幅运动动力分析的方法对船舶动态多速度点数值进行模拟研究,对船舶的航行速度和水流速度进行综合分析和数值模拟,对湍流模型进行设计和计算,并将结果与实际检测数据进行比较,以便对该算法的准确性进行检验。最后通过仿真实验结果证实,该算法对船舶动态多速度点的数值模拟研究效果较好,计算与船舶的实际航行速度检测结果基本吻合。由此证实通过利用水面微幅运动动力分析法对复杂船型流动速度问题进行研究,可有效对航线阻力、伴流等问题,以便对船舶动态多速度点数值进行准确计算,并及时给出与船舶运行实际情况相一致的结果,以保障船舶安全航行。该方法为船舶航行速度优化计算方法提供重要的参考依据。     

基于船舶–流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引

[目的]为进一步提高船舶航行的安全性,对船舶辅助驾驶决策相关内容开展研究。[方法]针对选取的两段内河典型航段,基于实时数字航道流场信息,考虑航行规则约束,模拟船舶–流场耦合作用下的复杂流场航段虚拟辅助驾引。模拟南京和东流航段的虚拟辅助驾引,给出相应的安全驾驶方案,在航行过程中对船舶速度、位置和航向等信息进行实时追踪。[结果]仿真结果表明,基于Fluent二次开发的船舶–流场耦合作用的算法可有效解决船舶多自由度运动耦合和船舶–流场多物理场耦合的解耦问题;遇见弯道或分汊时,操小舵角长距离航行可以在避免降速和较大横移的同时实现船舶的安全航行。[结论]该算法可以有效对接数字航道流场信息,开展复杂流场环境下内河航段船舶航行的过程模拟,结果可为内河航段船舶智能航行决策提供数据支撑。     

水下航行体热尾流浮升数值预报方法研究

水下航行体在航行过程中排放的热尾流在一定的条件下能浮升至水面,形成明显不同于背景水体的红外特征。论文基于来流法,应用不同湍流模型对水下航行体热尾流浮升过程进行数值预报,分析湍流模型对热尾流浮升及其水面特征的影响,并与试验进行比较,建立了水下航行体热尾流浮升的数值预报方法。     

航行中波浪水池的数值动力学研究

利用数值波浪水池进行船舶航行预报,是计算船舶水动力的重要方法。本文首先建立船舶水池的数值控制方程,然后利用网格划分对船舶周围的流场进行划分,最后利用Wigley-III船舶模型计算船舶在规则波中航行时受到纵向、垂向和纵摇力矩的系数,将其与势流理论(3D-BEM)和DUT计算方法相比较。     

干扰力作用下船舶航行动力学特性数学建模研究

船舶航行过程中受到的干扰载荷主要包括风载荷、波浪力、抛锚外载荷等。为了提高船舶航行安全性,本文对船舶在外界干扰载荷作用下的动力学特性进行深入研究,基于拉格朗日动力学理论建立船舶在干扰载荷作用下的航行动力学模型。基于Matlab软件与船舶航行动力学模型,计算得出船舶航行动力学响应。结果表明:本文建立的动力学模型能够有效预测船舶动力学响应,可为工程设计提供参考。     

实效伴流雷诺数影响的数值模拟

本文用数值计算的方法模拟三维船舶尾流与螺旋桨之间的相互作用，计算在四个不同量级雷诺数值情况下的水动力性能，船浆干扰采用三维不可压ＲＡＮＳ方程、ｋ－ε湍流模型和升力面理论作为基本研究工具进行进行相互干扰和迭代来预报此复杂流场及其螺旋桨的水动力性能，比较四个不同量级雷诺数情况下实效伴注分布及实效伴流分数的计算值，初步探索实效伴流的雷诺数影响。     

船体绕流场及流噪声的CFD模拟方法

CFD数值模拟技术可以为船舶水下噪声水平和噪声传播提供高精度的预报,同时还可以洞察船体绕流场的变化。本文利用VOF方法与SSTκ-ω两方程湍流模型用于求解船舶非定常粘性流场,并结合FW-H方程进行噪声传播。基于Lighthill声类比理论,对不同球鼻首船型的噪声进行数值计算,对船体流噪声的空间指向性、近远场分布特性进行分析。计算结果表明,CFD技术可以用于模拟分析船舶的绕流场和流致发声问题,能够为低噪声船体线型设计提供参考。     

基于计算机视觉的船舶操纵受扰力预测模型

常规船舶操纵受扰力预测模型在高海况预测数据幅值较大的情况下,预测过程引入的误差较大,因此设计一种基于计算机视觉的船舶操纵受扰力预测模型。首先分析船舶水上受力,得到不同坐标系下船舶自由度向量,在一定假设条件下得到船舶受力方程,了解船舶的受力情况后对基于计算机视觉的船舶航行图像的质量进行处理,填充连通图像区域,完成图像形态学处理,提取出与船舶操纵受扰力相关的图像兴趣区域,结合船舶自身的特性,完成船舶操纵受扰力的预测。仿真实验的结果表明,设计的预测模型在高海况不同船舶航行速度下,预测误差均小于常规模型,验证了设计模型的准确度。     

水下微结构功能表面设计及减阻特性研究

研究表明,当物体表面存在微结构时,可以减小阻力,降低能源消耗。本文设计M形和V形两种微结构,使用SST k-ω湍流模型,分析微结构的减阻机理及影响微结构减阻的因素。将V形微结构应用于水下航行器模型,探讨湍流状态下外流域的减阻率和流场变化。结果表明微结构能够减缓湍流猝发过程,降低湍流猝发强度,改善边界层的流态;当微结构夹角为60o、高度小于0.04mm时具有较好减阻作用;V形微结构在水下航行器模型中的减阻率达到1.77%,且减阻率随布置面积增加而增大。     

内河航道船舶航行操纵平面二维数值模拟在复杂流态下的应用

基于平面二维水流数学模型和船舶航行操纵数学模型的基本原理,开发了适合内河航道的曲线拟合坐标系下的船舶航行操纵平面二维数学模型,其中水流数学模型采用贴体坐标系下的平面二维水流数学模型,船舶航行操纵数学模型采用比较流行的"组合型"水动力模型。在实船和船模在静水条件及均匀流条件下的航行试验验证的基础上,通过复杂流态河段船舶航行操纵数值模拟的研究,表明该船舶数模基本能够模拟船舶在复杂流态下的航行操纵情况。     

基于混合粒子群算法的船舶稳定性分析

随着我国船舶航运事业的兴起,对保持舰船航行的安全和稳定的要求越来越高。由于船舶航运事业面对的环境复杂多变,传统PID船舶稳定性能分析和控制方法难以对大型风浪引起的船舶摇晃运动系数进行有效分析,无法快速准确的对船舶随机横摇运动外扰力进行计算,不利于船舶航行安全。因此结合混合粒子群算法对船舶稳定性进行研究。首先对船舶航行过程中外扰动因素影响程度进行分析和计算,并设计了船舶稳定性检测和控制系统,从而达到提高船舶航行稳定性的设计目标。为验证该方法的有效性,对比传统PID船舶稳定性检测控制方法进行了仿真实验。实验结果表明,基于混合粒子群算法的船舶稳定性分析方法能够更好地对船舶航行安全、稳定性能和航行状态进行精准判断,保障船舶在复杂海洋环境中的稳定航行。     

不同形式表面开孔水下回转体流噪声特性研究

应用DES(Detached Eddy Simulation)湍流模型模拟表面开孔水下回转体在一定来流速度下非定常流体力学现象,分析开孔附近的精细流动结构及流场时频特性;结合FW-H模型计算开孔体流噪声,分析噪声频谱及总噪声级指向性特点。对两种方案开孔形式的回转体流场及流噪声特性进行对比。结果表明:其中的一个方案较另一方案阻力增加1%,脉动幅值也较大;两方案指向性相似,方案1的噪声级在各方向上较方案2约大4dB。频谱分析结果表明,造成方案1噪声相对较大的主要原因是孔穴流动的相互干扰。     

混合湍流模型的参数优化与分析

在以全流场N-S方程为研究对象的空化流动数值计算中,湍流模型在很大程度上影响了对空化流动的精确预测。为了进一步完善针对非定常空化流动数值计算构建的基于密度分域的混合湍流模型（FBDCM）,利用代理模型方法对FBDCM模型参数的整体敏感度进行了分析,评价了相关经验系数的扰动对空化流场及水动力特性预测精确度的影响,建议了针对非定常空化流动计算的模型参数的具体取值。结果表明,经验系数C2通过调节FBDCM中FBM模型和DCM模型的影响比重,成为对模型预测精度影响程度最大的因素;通过代理模型优化分析确定经验系数的混合湍流模型,能更好地调整流场内的湍流粘性,精确计算了反向射流区域大尺度涡团的流动,与实验结果更为接近。     

沿岸航行肥大型船舶的流场偏移特性研究

以国际标准油船KVLCC2为研究对象,基于RANS方程,对其沿岸航行时在浅水与岸壁效应联合作用下船体周围黏性流场的变化特性进行数值模拟.对网格无关性和湍流模型进行验证,并将水动力和流场计算结果与试验值相对比,以验证数值方法的可行性.改变水深、船-岸距离和航速3个参数,计算对比周围流场的变化、船体表面压力的变化和伴流分数的变化,重点分析船尾伴流的偏移特性,给出桨盘处伴流分数的变化趋势和平均值.研究结果表明,随着水深和船-岸距离的减小,桨盘处伴流分数沿周向的分布呈不对称性;水深和船-岸距离同时减小会使桨盘处流场向岸壁偏移更明显;航速变化对流场偏移的影响较小.     

船体行驶过程中的压力监测方法

本文对船舶航行过程进行分析,着重研究船舶在航行过程中的流场理论,并对船舶受到的阻力进行分析,同时给出船舶摩擦阻力和傅汝德数之间的关系;基于计算流体力学对船舶航行过程中的受力情况进行仿真分析,探讨波浪流速对船舶航行过程的影响,同时对波浪抨击下的船体受力情况进行分析。最后,构建出船舶压力监测系统。本文对船体行驶过程中压力监测方法的研究,有助于推动船舶结构安全技术的发展。     

水下高速航行体并联出水过程的空化特性研究

基于VOF多相流模型,利用重叠网格技术实现高速航行体并联出水过程运动与流场的耦合求解,对不同并联间距下双航行体高速出水的多相流动特性进行数值模拟研究。对比单独出水和并联出水过程的超空泡演化特性,获得了航行体并联出水的无量纲纵向位移变化曲线、纵向速度衰减曲线、偏航角变化曲线。研究结果表明：并联高速出水过程中,航行体周围流场彼此发生干扰,抑制了超空泡内侧的扩展,而且当并联间距较小时,2个出水超空泡的尾部发生融合。相比单个航行体出水,并联出水过程中纵向速度衰减较快,使航行体的减阻性能小幅下降。并联出水航行体的弹道发生偏转,当并联间距较小时,航行体先发生向外侧偏转之后转向内侧偏转,当并联间距较大时,航行体只发生向外侧的偏转。