基于CFD的无人帆船襟翼帆空气动力研究

为推进无人帆船在海洋环境保护和资源勘测等方面的应用，为一款海上自动航行帆船设计了风帆结构，并进行气动性能分析。建立无襟翼帆、分离式襟翼帆和嵌入式襟翼帆3种翼帆模型，通过Fluent软件进行计算流体力学（CFD）计算分析，比较3种风帆的气动性能，分析变角度襟翼帆对风帆气动性能和对帆船推力提升理论的影响规律。结果表明，嵌入式襟翼帆对无人帆船风帆整体的气动性能具有提升的作用；随着襟翼帆偏转角的增大，风帆的升力系数和升阻比随之增大、帆船的推力系数明显增强，对帆船性能的提升具有较优的影响，促进无人帆船在推力提升方面的研究。     

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。     

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。     

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%.     

基于速度选择切换型视线法的无人帆船循迹航行

[目的]风帆的力矩以及海浪作用会造成帆船相比其他形式的动力船舶更容易偏离期望轨迹,这便要求无人帆船的循迹航行算法具有较强的抗干扰能力。[方法]对实船进行等比例建模并通过VPP速度预测程序获得帆船在不同航向下的较大速度,提出一种无人帆船速度选择切换型视线法,在保证无人帆船依靠风力获取速度的同时,再利用切换型视线法使无人帆船的航向角收敛于期望航向角,从而使无人帆船可以快速不断地驶向期望航向点。[结果]Matlab对比仿真研究表明,速度选择型视线法具有偏航误差小、抗干扰能力强且收敛速度较快的优点。[结论]无人帆船在不同风向下的湖上试验验证了速度选择型视线法的可行性,结果具有一定的工程应用价值。     

小型无人帆船Z形操纵性能预测分析

[目的]无人帆船的操纵性预测对实现智能循迹航行具有关键性的作用。为了研究舵角与船体运动之间的关系,实现对操纵性的准确预测,[方法]采用数值模拟方法,系统研究无人帆船船—舵斜航粘性流场模型及其水动力特性,在对船—舵系统的水动力特性进行仿真前,分别对船体、敞水舵的数值计算结果与理论方法予以初步验证;然后,在此基础上实现无人帆船船—舵斜航粘性流场的数值计算;最后,利用MMG分离建模方法建立帆船的操纵运动模型,采用四阶龙格—库塔方法对微分方程进行求解,通过模拟船舶Z字形航行来分析船舵对船体操纵性的影响。[结果]结果表明,应用CFD方法预报船体操纵性可行。[结论]船体的操纵性能可以适用于规定工况下无人帆船的安全航行。     

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。     

无人帆船自主避障算法

针对无人帆船短途航行的避障需求构建了无人帆船自主避障系统,提出了基于A*的帆船避障路径规划算法以及基于LOS的帆船循迹控制算法。案例帆船的仿真测试和航行测试均成功实现多个障碍物场景下的自主避障航行,较为充分地证明了方法的可行性与实时性,对无人帆船应用具有重要意义。     

船用风帆流固耦合研究进展

船用风帆与空气流场的相互作用属于典型的流固耦合问题,近年来受到高度关注,研究船用风帆的流固耦合力学行为对风帆的结构优化设计和船舶的动力性能提升具有重要意义。为全面了解当前船用风帆流固耦合问题的研究现状,该文从数值模拟和试验研究两方面对现有相关文献进行了梳理：从空气流场、风帆结构、流固耦合3个方面对所采用的数值方法进行了归纳总结,从全尺寸和缩比模型试验2个角度对现有试验方法进行归类分析;通过对比不同研究方法的优缺点,分析和探讨了船用风帆流固耦合未来的研究方向。     

海上无人集群发展及技术体系研究

跨域联合的海上无人集群系统作为改变未来海洋战场的颠覆性技术装备,将加速推动作战模式的衍变,进一步提升作战效能和效费比。本文概括无人机、无人艇和无人潜航器集群的技术现状,总结了海上无人集群系统攻击、反潜、反水雷3种作战应用模式,梳理了跨域无人集群系统的研制关键技术,并对未来无人装备技术体系的发展提出建议。     

关于国际海上避碰规则帆船条款是否适用于翼型帆的探讨

风帆助航船和现代高性能竞技帆船均使用了刚性翼型帆,然而现行《1972年国际海上避碰规则》中的帆船相关条款仅适用于传统帆船,并不适合于安装刚性翼型帆的船舶,风帆助航船与翼型帆竞技帆船定位模糊,应对避碰规则进行适当修订。     

无人帆船四自由度运动建模与试验分析

建立无人帆船的运动学模型是开展无人帆船操纵性和运动控制研究的基础。为简便快速地建模，在保证模型准确性的基础上，降低模型开发的难度，以“海鸥”号无人帆船为例，采用船舶操纵数学模型小组（MMG）分离建模方法建模，综合考虑风和浪环境扰动，根据经验公式和计算流体力学（CFD）方法进行参数计算。在此基础上，根据试验数据进行试验复现，以验证模型的准确性。结果表明，建立的无人帆船模型和提出的参数计算方法适用于“海鸥”号无人帆船，跟踪536 m长轨迹，航速误差为13.41%，横摇角误差在10%以内。建立的四自由度无人帆船模型能反映无人帆船实体的速度和位姿，可基本复现试验现象。     

太阳能风帆及其姿态角调整系统设计

以SS30全自动采样无人船为基础船,选取合适的风帆类型和太阳能电池板,设计太阳能风帆及其姿态角调整系统,包括姿态角水平驱动装置和竖直回转驱动装置,实验分析研究其可行性。结果表明,太阳能电池板发电功率随其安装倾斜角而变化,存在最优倾斜角;风帆为使船获得最大推力和推进功率,存在最优攻角。通过采集太阳能风帆不同工况下的实验数据,优化太阳能和风能在船舶上的综合利用。     

基于自由自航数据的无人帆船动力学模型系统辨识

基于一艘无人帆船的自由自航实测数据，采用贝叶斯回归方法辨识得到帆船四自由度动力学模型，并通过静态速度预报算法获得该帆船的速度极曲线图。通过将系统辨识结果与约束模型水池试验结果进行对比，验证该系统辨识方法具有足够的准确性，是构建小型无人帆船动力学模型的一种合理方法。     

帆船新型电子装置

法国塔皮公司研制出一种驾驶帆船的新型电子装置,它能在各种不同的气候条件下最大限度地提高帆船的航速,而且不增加风帆和桅杆的负荷。法国尼斯俱乐部的“福克”号四桅帆船首先安装了这种新型电子装置。在“福克”号桅杆吊索的各个交叉点上分别安装了31个张力传感器。一旦风力、风向发生变化,传感器就会把信号输入贮存有风帆和桅杆可容许负荷的各类数据的电子装置中。装置中的电子计算机经过快速计算后,自动地向风帆的升降器下达指     

基于模糊PID的无人帆船航向控制方法

[目的]无人帆船在复杂海况下会出现航向状态不稳定的现象,为提高帆船在多变和未知环境下的抗干扰能力与航行的稳定性,实现对帆船航向的准确控制,提出一种结合传统PID技术的模糊自适应控制方法。[方法]建立响应型三自由度的Nomoto运动数学模型,借助Matlab的Simulink建模工具搭建模糊规则和仿真控制器,对PID控制参数进行实时在线优化调整。分别在不同航速和加入随机扰动下,与传统PID控制进行对比研究,分析不同的控制方法对航向的影响情况,并通过试验进行对比验证。[结果]结果表明,应用模糊PID方法控制小型无人帆船的航向,具有较好的自适应能力和较强的鲁棒性。[结论]研究成果可为无人帆船的航向控制设计提供参考。     

好风凭借力 送我去远航-风力在航海中的应用

人类利用风帆行船。已有5000多年的历史。15-18世纪，帆船进入鼎盛时期，不但在江河湖泊中“千帆竞发”，而且在远洋航行中，帆船也大显身手：郑和七下西洋，哥伦布远撒发现美洲新大陆，麦哲伦航海环球一周成功，都是风帆的卓越贡献!在发达的海洋国家，甚至还利用巨型帆船进行军事活动，因此有的学者将这一时期称为“帆船时代”，甚至称为“帆舰时代”。     

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.     

亚洲第一双体帆船处女航——蓝高620：我的名字叫“自由岛号”

这艘拥有洁白的船身、明亮的内饰、宽敞的后甲板和140平方米风帆的双体船，触动了诸多爱好帆船人的敏感神经。蓝高620——亚洲最大的双体帆船，如今已落户中国。请看本刊独家披露这艘帆船从三亚到香港的试航日记。