基于新型節(jié)能推進(jìn)水翼的船舶耐波與操縱性能改進(jìn)研究.pdf

1、在溫室氣體排放造成全球氣候變化日益加劇以及石油資源不斷減少所導(dǎo)致的能源危機(jī)大背景下，船舶行業(yè)也面臨著重大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。節(jié)能環(huán)保技術(shù)將成為船舶市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。
　　本文研究中提出了一種基于T型波能回收水翼(T-WDH)的新概念節(jié)能技術(shù)輔助船舶推進(jìn)和航跡跟蹤。T型波能回收水翼的水平部分可以在波浪中借助船體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推力輔助船舶的推進(jìn)并且還能起到減搖的效果;垂直水翼作為首舵，用于提升船舶的操縱性。針對(duì)T型波能回收水翼船的水動(dòng)力性能

2、展開了研究，通過理論建模和試驗(yàn)分析證明了該技術(shù)的可行性和有效性，并對(duì)T型波能回收水翼輔助下的船舶實(shí)海域性能進(jìn)行了預(yù)報(bào)。另一方面，建立了四自由度非線性操縱性模型對(duì)T型波能回收水翼船的靜水和波浪中操縱性進(jìn)行了仿真和分析。為實(shí)現(xiàn)T型波能回收水翼與尾舵間的協(xié)同航跡控制，基于無偏模型預(yù)測(cè)控制算法對(duì)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)研發(fā)，并引入了在線自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)增強(qiáng)了控制器的魯棒性。
　　本文共分為七個(gè)章節(jié):
　　第一章中介紹了本課題研究的背景和意義，

3、在對(duì)現(xiàn)有國內(nèi)外船舶節(jié)能技術(shù)進(jìn)行探討總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了T型波能回收水翼船舶節(jié)能技術(shù)設(shè)想并明確了相關(guān)研究難點(diǎn)和技術(shù)路線。
　　第二章圍繞基于基本解法(MFS)的無網(wǎng)格船舶耐波性計(jì)算方法，為波能回收水翼船耐波性研究打下基礎(chǔ)。在詳細(xì)闡述了MFS法的數(shù)學(xué)原理后針對(duì)二維剖面水動(dòng)力系數(shù)勢(shì)流求解問題用MFS法進(jìn)行了數(shù)值建模和計(jì)算分析，并與傳統(tǒng)的邊界元法(BEM)進(jìn)行了對(duì)比，證明了MFS法在水動(dòng)力計(jì)算中的可行性，以及相對(duì)于BEM法所具有的不存在奇

4、性、可以在實(shí)際物面上精確滿足邊界條件、能獲得任意階連續(xù)的速度勢(shì)導(dǎo)數(shù)，并且數(shù)學(xué)原理簡(jiǎn)單、易于數(shù)值實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。隨后將MFS法進(jìn)一步應(yīng)用到切片法船舶耐波性預(yù)報(bào)中，通過對(duì)集裝箱船和油船的計(jì)算驗(yàn)證，證明了MFS法對(duì)于求解實(shí)際船體剖面水動(dòng)力系數(shù)的適用性。
　　第三章中回顧了波能回收水翼的研究進(jìn)展，基于船舶耐波性理論和水翼波浪中推進(jìn)的研究成果建立了基于勢(shì)流理論的頻域耦合水動(dòng)力模型，可對(duì)波能回收水翼船在頂浪規(guī)則波中的船體垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。在

5、此基礎(chǔ)上，研究了規(guī)則波中波能回收水翼船增阻計(jì)算方法。為驗(yàn)證所建立數(shù)值模型的正確性，對(duì)S175集裝箱船進(jìn)行了波能回收水翼設(shè)計(jì)，并在拖曳水池中開展了耐波性試驗(yàn)，測(cè)量了垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)及波浪中增阻響應(yīng)。試驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果間的對(duì)比證明了所提出模型的正確性，同時(shí)也證明了波能回收水翼的實(shí)際使用效果。
　　第四章中研究了波能回收水翼設(shè)計(jì)參數(shù)和水翼連接方式對(duì)波能回收水翼船耐波性的影響;介紹了評(píng)估波能回收水翼效果的耐波性短期預(yù)報(bào)方法和基于船機(jī)槳匹配法的失

6、速系數(shù)預(yù)報(bào)方法。在此基礎(chǔ)上闡述了波能回收水翼船實(shí)海域長(zhǎng)期性能預(yù)報(bào)方法，介紹了風(fēng)浪環(huán)境數(shù)據(jù)庫和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模型。最后，以一艘3100箱集裝箱船為例對(duì)其在航線上的實(shí)海域耐波性進(jìn)行了短期和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。
　　第五章中建立了S175船的四自由度非線性操縱性模型，詳細(xì)闡述了其中船體力、螺旋槳力、舵力和波浪漂移力的計(jì)算方法。通過與公開發(fā)表試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了本仿真平臺(tái)的正確性，繼而設(shè)計(jì)了T型波能回收水翼的首舵部分，并進(jìn)行了與原船間的操縱性仿真對(duì)比。<

7、br>　　第六章對(duì)波能回收水翼充當(dāng)?shù)氖锥媾c尾舵間的協(xié)同航跡控制展開研究，提出采用模型預(yù)測(cè)控制算法，對(duì)首尾舵進(jìn)行協(xié)同控制。針對(duì)波浪二階力對(duì)于船舶航跡跟蹤的影響，提出了一種可以減小穩(wěn)態(tài)航跡跟蹤誤差的無偏模型預(yù)測(cè)控制算法;在非線性操縱性仿真平臺(tái)中對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試和仿真分析。利用首尾舵組合的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)對(duì)在線自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)進(jìn)行了研究，并通過仿真證明了該方法的可行性和實(shí)用價(jià)值。
　　第七章為全文總結(jié)和后續(xù)研究展望。
　　通過研究發(fā)現(xiàn)

8、:所提出的新型節(jié)能推進(jìn)水翼可有效提高船舶的耐波與操縱性能。水池模型試驗(yàn)表明船舶的垂蕩和縱搖響應(yīng)將有顯著減少，峰值降幅在25％以上;船舶在波浪中的增阻減少更加明顯，峰值增阻響應(yīng)減少了80％;實(shí)海域中的船舶失速系數(shù)預(yù)報(bào)也表明該技術(shù)對(duì)于提升船舶能效、降低EEDI指數(shù)有積極的作用。另一方面，水翼所充當(dāng)?shù)氖锥婺軌蚋倪M(jìn)船舶的操縱性能，船舶在靜水和波浪中的回轉(zhuǎn)半徑都將顯著減小，平均可達(dá)15％左右;針對(duì)首尾舵組合所開發(fā)的自適應(yīng)航跡跟蹤控制算法可幫助船舶

9、在航速發(fā)生變化的情況下自動(dòng)完成控制器的更新，再次體現(xiàn)出了新型節(jié)能推進(jìn)水翼所具有的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。
　　本文在理論層面的主要?jiǎng)?chuàng)新和突破為:首次將MFS法應(yīng)用于船舶耐波性預(yù)報(bào)領(lǐng)域，提出了一種計(jì)算有限水深下二維剖面水動(dòng)力系數(shù)的實(shí)用數(shù)值方法;提出了基于船機(jī)槳匹配和實(shí)海域風(fēng)浪環(huán)境數(shù)據(jù)的EEDI失速系數(shù)預(yù)報(bào)方法，考慮了船機(jī)槳間的能量傳遞;首次提出了基于首尾舵組合的帶T型水翼船舶操縱方式，并且提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制算法的無偏船舶航跡跟蹤控制方法，