特种减摇装置的升力模型优化

减摇鳍是一种特种减摇装置,它在船舶减摇装置中占有重要地位,本文首先对低航速减摇鳍在水中运动所受的作用力进行分析。其次,利用计算流体力学仿真软件Fluent对减摇鳍在低航速状况下进行仿真分析,并利用Matlab拟合出低航速减摇鳍的动态升力模型。最后,对拟合出的动态升力公式进行验证。结果分析表明:拟合出的动态升力公式可以很好的反应减摇鳍在低航速海况下进行主动拍击过程所产生的升力,可以为舰船在低航速海况下设计减摇控制系统提供一定的参考。     

升力反馈控制减摇鳍系统

对减摇鳍的静态、动态水动力特性进行了分析研究,指出影响鳍的动态升力特性的本质原因.讨论了传统的鳍角反馈减摇鳍设计原理存在的问题,指出鳍角反馈在运动过程中不能正确反映鳍的动态水动力特性.在鳍角反馈的基础上,提出了升力反馈控制方式,通过直接测量鳍上的动态升力作为系统的反馈信号.以某型船的减摇鳍设计参数为参考,采用升力反馈控制,以必要的工程条件为限制条件,进行了角度反馈控制与升力反馈控制的对比仿真试验研究.仿真结果对比显示升力反馈控制可以有效弥补鳍角反馈控制方式存在的控制偏差,使减摇鳍系统的综合减摇能力得到显著提高.     

零航速减摇鳍电动伺服系统驱动功率研究

在分析零航速减摇鳍升力特性的基础上,推导出了减摇鳍动态流体力矩和平均横摇角速度的计算方法,提出了通过转鳍动态流体力矩和平均横摇角速度计算伺服系统驱动功率的方法。同时根据计算所得的伺服系统驱动功率进行了电动伺服系统的仿真实验。实验结果表明,采用动态流体力矩代替静态流体力矩计算所得的伺服系统驱动功率更加精确、合理,提高了系统的工作效率。     

零航速下变鳍型减摇鳍升力模型研究

升力数值的大小直接影响零航速下船舶减摇效果。为产生足够升力实现船舶在零航速下的有效减摇,提出了基于变形鳍的零航速减摇鳍设计方法。基于势流理论和旋涡作用力理论对变鳍型减摇鳍在零航速下升力进行分析,给出了升力解析表达式。通过计算流体力学软件Fluent对变鳍型减摇鳍进行升力数值计算。最后将Fluent计算结果与解析表达式结果对比,升力值基本吻合,验证了该种升力分析方法的正确性,为零航速下减摇鳍的设计提供了理论支持。     

仿生减摇鳍升力模型的数值模拟及分析

船舶在系泊或低航速状态下,发动机主机停止工作,船舶失去自控方向能力,船体随波浪左右摇晃,比航行时摇摆更为剧烈。因此,研究零航速减摇鳍非常重要。文章研究零航速时仿生减摇鳍产生升力的模型,其基础为Weis-Fogh机构理论。首先讨论如何旋转才能产生给定的升力。依据吕卡提方程理论,给出模型周期解的存在性和稳定性条件 采用单步Runge-Kutta方法求出模型的数值解,给出保证数值解稳定的条件。     

襟翼减摇鳍的水动力性能与减摇效果研究

用格法对襟翼减摇鳍的水动力性能的特别是升力进行了计算,对襟翼减摇鳍的减摇效果也进行了评估。计算过程中考虑了船体壁面、船体边界层的影响。计算结果表明本文的算法是可行的。     

升力鳍伺服系统非定常水动力特性的研究

重点研究了升力鳍升力及转矩与鳍角的非定常水动力特性。通过对鳍升力和转矩的非定常水动力特性试验数据的分析,提出了升力鳍系统的鳍角与升力的换算关系应建立在非定常水动力的基础上。以Theodorsen理论为基础,利用水动力试验数据,修正了基于Theodorsen理论的计算升力系数的公式,提出了修正的升力转矩非定常水动力的数学模型,经实例计算仿真结果与水池试验结果比较,验证了该数学模型的正确性。利用该数学模型直接计算升力,可以省去复杂的、可靠性低、误差大的升力测量装置及复杂的升力计算。该研究也进一步充实了升力鳍非定常水动力特性的理论研究,解决了升力计算的问题。     

零航速下的船用多功能翼水动力分析

为了研究船用多功能翼在零航速下水动力特性和展弦比效应,采用计算流体力学(CFD)软件和动网格技术对其进行三维水动力仿真。船用多功能翼根据荷兰Rotor Swing公司推出的可伸缩尾翼稳定器产品WING Stabilizer建立的几何模型,分析其在不同展弦比、攻角和摆动周期下的升/阻力特性。仿真结果表明,对于翼面积为0.5 m²的船用多功能翼,在3～5内选择其展弦比,能在提高升力的同时,产生较小的阻力。因此可以认为多功能翼与常规减摇鳍对不同,过大的展弦比会降低鳍的升阻比。     

基于动态反馈线性化的海洋机器人近水面横摇减摇控制

海洋机器人在近水面低速航行时,在海浪干扰下将产生横摇运动,严重影响机器人安全性能,因此利用零航速减摇鳍系统对横摇运动加以有效控制.针对机器人非线性运动模型及零航速减摇鳍升力模型的特点,利用动态反馈线性化方法设计横摇减摇控制规律.该方法通过将原系统扩展为含有伪状态变量的新系统,实现系统线性化,解决由减摇鳍升力模型引起的系统非线性形式控制输入的问题.理论证明及仿真结果表明该横摇控制规律是稳定有效的.     

大型船舶混合吊舱对转桨与船体相互干扰特性研究

对一艘75kDWT油船的裸船体阻力在采用常规桨和混合吊舱对转桨这两种情况下的水动力性能进行了CFD评估,从船-桨-舵受力、自航因子以及船后尾流场等方面进行对比,分析对转桨与船体相互干扰特性。计算结果表明,设计航速工况下,采用混合吊舱对转桨推进方式较单桨推进方式时的船后螺旋桨收到功率下降16%左右。这主要是因为对转桨的扭矩较单桨低,且对转桨推进方式下的船身效率和螺旋桨敞水效率较单桨高。     

复合驱动仿生胸鳍机构设计与水动力研究

针对仿鱼型海洋探测机器人低速时的机动性问题,受鹞鲼鱼类依靠胸鳍摆动实现各种水下运动的启发,设计出一种基于共融理论的复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构。通过构建基于三维非定常湍流控制方程组的柔性鳍摆动系统水动力学模型,研究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力和速度场的变化情况,分析不同摆动幅度和频率下鳍面的水动力学特性,揭示仿生鹞鲼机器鱼的水下运动机理,对摆动胸鳍的水动力进行仿真。结论表明:鳍面摆动时周围的漩涡能够引起胸鳍面上推力、升力及侧向力按类似正弦变化,而推进力和侧向力的大小随摆动幅值和摆动频率增加而增大。     

基于CFD技术的整流鳍节能效果数值预报

针对节能装置节能效果的预报仍然依赖模型试验,数值预报方法对节能效果的预报存在较多困难的问题,提出了一种基于CFD技术的整流鳍节能效果的数值预报方法。首先,研究了整体求解船-桨-舵相互干扰的水动力性能数值计算方法,计算结果与试验值的比较显示,该数值计算方法具有较好的计算精度。然后,采用上述方法预报了船-桨-舵-整流鳍相互干扰的水动力性能,通过比较有整流鳍和无整流鳍两种情况下,螺旋桨吸收单位转矩所发出的推力,分析了整流鳍的节能效果,得到了节能效果较优的整流鳍,其综合节能效果可达2.78%,从而为船舶节能装置的节能效果预报提供了一种适用的理论研究方法。     

CFD理论黏性流场中三维振动水翼的非定常水动力性能(英文)

The motion of the fins and control surfaces of underwater vehicles in a fluid is an interesting and challenging research subject. Typically the effect of fin oscillations on the fluid flow around such a body is highly unsteady, generating vortices and requiring detailed analysis of fluid-structure interactions. An understanding of the complexities of such flows is of interest to engineers developing vehicles capable of high dynamic performance in their propulsion and maneuvering. In the present study, a CFD based RANS simulation of a 3-D fin body moving in a viscous fluid was developed. It investigated hydrodynamic performance by evaluating the hydrodynamic coefficients (lift, drag and moment) at two different oscillating frequencies. A parametric analysis of the factors that affect the hydrodynamic performance of the fin body was done, along with a comparison of results from experiments. The results of the simulation were found in close agreement with experimental results and this validated the simulation as an effective tool for evaluation of the unsteady hydrodynamic coefficients of 3-D fins. This work can be further be used for analysis of the stability and maneuverability of fin actuated underwater vehicles.     

计入船体变形激励的大型船舶推进轴系振动性能研究

大型船舶的船体变形与其推进系统之间的耦合影响成为船舶领域的研究热点,开展船体变形激励下的推进轴系振动性能的研究对保证船舶可靠运行十分必要。文章以船舶轴系动力学方程为研究基础,建立其计入船体变形激励的大型船舶推进轴系的动力学模型并通过解析解与数值解的对比验证了方法的可靠性。依据此模型,以某大型集装箱船舶为研究对象,分别探索了船体变形激励不确定方向下以及变尺寸参数下轴系振动的影响规律,为大型船舶船体变形激励下的轴系振动问题提供了理论基础。     

槽道型高速滑行艇船型的自动生成(英文)

The creation of geometric model of a ship to determine the characteristics of hydrostatic and hydrodynamic, and also for structural design and equipments arrangement are so important in the ship design process. Planning tunnel high speed craft is one of the crafts in which, achievement to their top speed is more important. These crafts with the use of tunnel have the aero-hydrodynamics properties to diminish the resistance, good sea-keeping behavior, reduce slamming and avoid porpoising. Because of the existence of the tunnel, the hull form generation of these crafts is more complex and difficult. In this paper, it has attempted to provide a method based on geometry creation guidelines and with an entry of the least control and hull form adjustment parameters, to generate automatically the hull form of planning tunnel craft. At first, the equations of mathematical model are described and subsequent, three different models generated based on present method are compared and analyzed. Obviously, the generated model has more application in the early stages of design.     

Locomotion by mechanical pectoral fins

The objectives of this study were the development of a new device for maneuvering an underwater vehicle using the mechanism of a fish swimming, an experimental and theoretical analysis of the hydrodynamic characteristics of the device, and its application to maneuvering a fish robot. Observations and experimental analysis of the pectoral fins of a black bass (Micropterus salmoides) revealed that the locomotion of the fish, such as swimming forward at low speed, swimming backward, and turning in a horizontal plane is generated by using a combination of a feathering motion and a lead-lag motion of the pectoral fins. A mechanical pectoral fin making a feathering motion and a lead-lag motion generates a thrust force in a range of phase differences between both motions. The unsteady vortex lattice method, including the effect of viscosity, can express fairly well the unsteady forces acting on the mechanical pectoral fin in the range of phase differences where it exerts the thrust force. The fish robot, consisting of a model fish body and a pair of mechanical pectoral fins, can not only swim forward and turn in almost the same position, but can also swim in a lateral direction without changing the yaw angle. Translation of an article that appeared in the Journal of The Society of Naval Architects of Japan, vol. 182 (1997): The original article won the SNAJ prize, which is awarded annually to the best papers selected from the SNAJ Journal, JMST, or other quality journals in the field of naval architecture and ocean engineering.     

首升力体、首鳍/尾板与船体水动力相互干扰与匹配研究

升力体技术已被CFD、缩比模型试验和实船试验证实,在零航速与有航速情况下均可减小船舶在波浪中的运动响应,提高船舶耐波性。该文以数值计算为主要技术手段,结合模型试验验证,开展了首升力体、首鳍/尾板与船体水动力相互干扰与匹配研究。首先,采用自由船模拖曳的数值模拟方法,开展了基于快速性的首升力体与船体位置匹配研究,获得了首升力体在船体上的较佳位置;其次,对首升力体加装首鳍,分析了首升力体、首鳍组合与船体水动力相互干扰,获得了复合初步船型方案;再次,对复合初步船型方案加装尾板,讨论了首升力体、首鳍、尾板组合与船体水动力相互干扰,获得了复合优化船型方案;最后,对复合优化船型方案在规则波中的运动响应进行数值预报与对比分析,并预报不规则波中的减摇效果。文中的研究成果可为后续首升力体在单体船上的应用提供技术支撑。     

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。     

鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响

为研究鳍的影响,建立了吊舱推进器的水动力性能的计算模型.计算了吊舱推进器安装和不安装鳍时的水动力性能,螺旋桨与吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算加以考虑.采用基于速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面元以消除面元间的间隙.采用Newton-Raphson迭代求解压力分布使得桨叶的随边满足压力库塔条件,用柳泽的方法求得物体表面的速度分布以避免数值求导的奇异性.无鳍.单鳍和双鳍的吊舱推进器水动力性能计算结果表明,附加鳍时吊舱推进器的螺旋桨推力增加,由于鳍上产生推力导致吊舱阻力减小.附加双鳍时的吊舱推进器水动力性能最好,附加单鳍时次之,无鳍时最低.     

仿生机器鱼胸尾鳍协同推进的水动力学分析

利用CFD技术对仿箱鲀科胸尾鳍协同推进机器鱼的水动力学特性进行分析,将整个机器鱼放入流场,对其胸鳍推进模式、尾鳍推进模式和胸尾鳍协同推进模式的水动力学特性进行对比,得出不同模式下机器鱼水动力学的变化规律。分析得出,在压力变化云图中,胸尾鳍协同推进产生的压力变化最为复杂;在速度涡量变化图中,胸尾鳍协同推进产生最为复杂的涡量变化,胸鳍运动产生的涡会逐渐脱落向后移动,与尾鳍产生的涡互相作用,增加尾鳍的推力,从而证明胸尾鳍协同推进模式是一种高效的推进机制。